Molekulare Elektronik in der Biologie Molekulare Elektronik in der
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Beierlein, Nickel, Simmel: Hauptseminar Molekularelektronik, SS 2005 Molekulare Elektronik in der Biologie 1. Elektrochemie 2. Biosensorik 3. Elektronentransfer in biologischen Systemen 4. Ionik statt Elektronik Molekularelektronik - 26.04.05 Molekulare Elektronik in der Biologie 1. Elektrochemie 2. Biosensorik 3. Elektronentransfer in biologischen Systemen 4. Ionik statt Elektronik Molekularelektronik - 26.04.05 Molekularelektronik = Elektronentransfer + Moleküle = Elektrochemie ? Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Grundlagen: Redoxreaktionen A ⎯ ⎯→ A + + e − Oxidation B + e− ⎯ ⎯→ B − Reduktion A +B ⎯ ⎯→ A +B − Redox-Reaktion Molekularelektronik - 26.04.05 Redoxreaktionen: Beispiel Fe 2+ ⎯ ⎯→ Fe3+ + e − MnO −4 + 5e − + 8H+ ⎯ ⎯→ Mn2+ + 4H2O 5Fe 2+ + MnO 4− + 8H+ ⎯ ⎯→ 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O Permanganat oxidiert Fe(II) zu Fe(III) Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Redoxpotential und Elektrochemische Reihe wann findet eine Redoxreaktion statt ? eine chemische Reaktion läuft spontan ab, wenn die mit der Reaktion verbundene Änderung der Gibbs‘schen freien Energie negativ ist Cu2+ + Zn ⎯ ⎯→ Cu + Zn2+ oder Cu + Zn2+ ⎯ ⎯→ Cu2+ + Zn ? Man betrachtet diese Teilprozesse: oxidiert n+ + ne − ⎯ ⎯→ reduziert E0 ∆ r G 0 = −nFE 0 heisst Standardpotential Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Redoxpotential und Elektrochemische Reihe -3.03 entreisst die Redoxspezies dem Wasserstoff ein Elektron (oxidiert ihn) oder gibt sie eher eines ab (wird selbst oxidiert) ? -2.92 -2.87 -2.71 -2.37 bringt man zwei Spezies zusammen, so wird tendenziell diejenige mit dem höheren Standardpotential reduziert, die andere oxidiert -1.66 -0.76 -0.44 -0.13 also ... 0 +0.34 Cu2+ + Zn ⎯ ⎯→ Cu + Zn2+ +0.80 +1.50 Molekularelektronik - 26.04.05 Donor – Bridge – Acceptor – (DBA) – Systeme Nature 396, 60 (1998) Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Elektrochemisches Grundexperiment I: Galvanisches Element Zwei Lösungen, zwei Elektroden, eine Potentialdifferenz tritt auf: Cu Zn Kupfer-Zink-Zelle ZnSO4 CuSO4 Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Elektrochemisches Grundexperiment I: Galvanisches Element Zwei Lösungen, zwei Elektroden, eine Potentialdifferenz tritt auf: Anode e- - Kathode: Elektrode, an der Elektronen in die Lösung gelangen Cu + Zn Kupfer-Zink-Zelle Reduktion von Cu-Ionen ZnSO4 Oxidation von Zn CuSO4 Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Elektrochemisches Grundexperiment II: Elektrolyse Eine Lösung und zwei Elektroden, wir legen eine Spannung an: + Anode - Kathode Wasserstoff entsteht durch Reduktion von H+ Gleichstrom ist zwangsläufig mit chemischen Reaktionen an den Elektroden verknüpft Chlorgas entsteht durch Oxidation von Cl- HCl Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Elektrolysezelle, Ersatzschaltbild Elektrolyt RE Elektrische Doppelschicht: Kondensator + nichtlinearer Widerstand Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Elektrode und Elektrolyt im Gleichgewicht Die elektrische Doppelschicht (Ionen nicht verteilt wie innerhalb der Lösung) - Stern-Schicht: „unbewegliche Ladungen“ Dicke der Stern-Schicht in etwa gleich der „Bjerrum-Länge” lB = e2 4πε r ε 0 k BT das ist ~ 0.7 nm in Wasser bei RT - Diffuse Schicht: Diffusion arbeitet gegen die elektrostatische Anziehung Æ Gouy -Chapman-Stern-Modell Molekularelektronik - 26.04.05 Poisson-Boltzmann (I) Die Verteilung der beweglichen Ionen kann bestimmt werden aus: ∆Φ = − 1 εr ε0 ∑ z ec (∞) exp(− z eΦ(x ) / k T ) i i i B i im Debye-Hückel-Limes: e2 2 ∆Φ = z ∑ i c i (∞ )Φ ( x ) ε r ε 0 k BT i Debye-Hückel-Parameter: e2 κ = ε r ε 0 k BT Debye-Abschirmlänge: 2 ∑z 2 i ci (∞) = 4πl B I i λ D = κ −1 = 1.78 ×10 −11 K −1/ 2 × T I = 9.75 nm, 3.08 nm, 0.975 nm für 1 mM, 10 mM, 100 mM Salz @ 300 K Molekularelektronik - 26.04.05 Poisson-Boltzmann (II) Potential nahe einer Ebene: 0.1 0.08 Φ(x ) = σ exp(− κx ) εr ε0 κ 0.06 0.04 0.02 Flächenladungsdichte σ = 0.08 C/m2 (0.5 e/nm2) Potential nahe einer Kugel: 1´ 10 - 9 2´ 10 - 9 3´ 10 - 9 4´ 10 - 9 501 502 503 504 5´ 10 - 9 0.1 0.08 Φ(r ) = Q exp(− κ(r − a )) 1 4πε r ε 0 r 1 + κa 0.06 0.04 0.02 Radius r = 500 nm, κ = (1 nm)-1, Flächenladungsdichte σ = 0.08 C/m2 505 Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Galvani-Potential-Differenz/Nernst-Gleichung Cu(M) ← ⎯→ Cu 2+ (aq) + 2e − (M) µ~ = µ + zFϕ Gleichgewicht elektrochemisches Potential 0 0 µCu + RT ln aCu ( M ) = µCu (aq) + RT ln aCu (aq) + 2 Fϕ s 2+ 2+ + µ e0− ( M ) + RT ln ae − ( M ) + 2 Fϕ M ⎛ RT ⎞ ∆ϕ = ∆ϕ 0 + ⎜ ⎟ln aCu 2+ (aq) 2 F ⎠ ⎝ ⎛ RT ⎞ E = E0 + ⎜ ⎟ln aM z+ (aq ) ⎝ zF ⎠ Galvani-Potential-Differenz Potential einer Metallelektrode in Kontakt mit einer Metallionenlösung der Aktivität a Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Messtechnik: Der Potentiostat http://www-biol.paisley.ac.uk/ Drei Elektroden: - Referenzelektrode: hier wird das Potential gemessen - Gegenelektrode: Hier wird Strom in den Elektrolyten geschickt, um das Potential zu halten. - Arbeitselektrode: Hier geschehen die Reaktionen von Interesse und hier wird der Strom gemessen Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Das zyklische Voltammogramm: statt einer IV-Kurve ... „elektrochemische Spektroskopie“ http://www-biol.paisley.ac.uk/marco/Enzyme_Electrode/Chapter1/Ferrocene_animated_CV1.htm Molekularelektronik - 26.04.05 Elektrochemie Das ist auch wichtig für Molekularelektroniker ! Nature 417, 722 (2003) Molekularelektronik - 26.04.05 Molekulare Elektronik in der Biologie 1. Elektrochemie 2. Biosensorik 3. Elektronentransfer in biologischen Systemen 4. Ionik statt Elektronik Molekularelektronik - 26.04.05 Biosensorik Die Grundaufgabe der Sensorik: • Detektion eines „Vorgangs“ • Übersetzung in ein (meist) elektronisches SIgnal: Im Falle der Biosensorik: wichtig: • Sensitivität • Selektivität Molekularelektronik - 26.04.05 Biosensorik Die biologische Komponente/der biologische Vorgang kann sein: • Enzym-Substrat-Wechselwirkung • Antikörper-Antigen-Erkennung • DNA-DNA oder DNA-RNA-Erkennung • Rezeptoren, Ionenkanäle • Zellen oder Gewebe (z. B. Bakterien als Sensoren) Molekularelektronik - 26.04.05 Biosensorik Typen von Biosensoren: • Amperometrisch: Redoxenzym erzeugt Ladungen, die elektrochemisch ausgelesen werden • Potentiometrisch: Potentialänderung aufgrund Anbinden eines Moleküls oder enzymatischer Aktivität (Æ MOSFET) • Konduktometrisch: Enzym erzeugt geladene Spezies und ändert damit den Leitwert • Piezoelektrisch: Anbindung an Oberfläche führt zu Massenänderung und damit zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des Piezokristalls • Optisch: ... sehr viele Verfahren, häufig fluoreszenzbasiert, Glasfaser • ... Molekularelektronik - 26.04.05 MOSFET-basierte Sensoren: ISFET=Ion sensitive/selective field effect transistor Molekularelektronik - 26.04.05 MOSFET-basierte Sensoren: ENFET=Enzyme FET Konzept: Ein Produkt der enzymkatalysierten Reaktion kann detektiert werden Enzym ist in Gel immobilisiert Dual gate: Referenz ohne Enzym Molekularelektronik - 26.04.05 MOSFET-basierter DNA-Sensor (FZ Jülich): Molekularelektronik - 26.04.05 DNA-Analyse-Chip: Elektrochemisch Fraunhofer ISIT/ Infineon/Siemens Molekularelektronik - 26.04.05 JACS 124, 770 (2002) DNA-Erkennung wird mit Hilfe von Glucose/ Glucoseoxidase in ein elektrochemisches Signal übersetzt Molekularelektronik - 26.04.05 Biosensorik Anforderungen an Biosensoren: • Selektivität • Sensitivität • Lebensdauer • Wiederverwendbarkeit • Geschwindigkeit/Ansprechzeit • Biokompatibilität (für in vivo-Anwendungen) Molekularelektronik - 26.04.05 Biosensorik Anwendungen von Biosensoren: • Biomedizinisch/Klinisch • Landwirtschaft • Umwelt • Nahrungsmittelqualität • Biologisch-chemische Kampfstoffe Molekularelektronik - 26.04.05 Molekulare Elektronik in der Biologie 1. Elektrochemie 2. Biosensorik 3. Elektronentransfer in biologischen Systemen 4. Ionik statt Elektronik Molekularelektronik - 26.04.05 Elektronentransfer in biologischen Systemen • Redoxenzyme: Katalysieren wichtige Redoxreaktionen • Elektronentransferketten: Atmung, Photosynthese • DNA-Reparatur ? Wichtige Moleküle/Molekülgruppen: NADH/NAD+, FADH2/FAD, FMNH2/FMN Hämgruppen Æ Porphyrine, Flavingruppen, Kupferionen, Chinon (Quinone), Eisen-Schwefel-Cluster Molekularelektronik - 26.04.05 Beispiele für Enzyme, die an Redoxreaktionen beteiligt sind Oxidasen/Reduktasen: allg., katalysieren Redoxreaktionen Red1 ← ⎯→ Ox1 + e Ox 2 + e - ← ⎯→ Red 2 kann auch Elektrode sein Katalase: Hämprotein, das Wasserstoffperoxid entsorgt 2H 2 O 2 ⎯ ⎯→ 2H 2 O + O 2 Peroxidasen: Hämenzyme, die analog ein Alkylperoxid abbauen RO - OH + AH 2 ⎯ ⎯→ ROH + H 2 O + A Cytochrome: elektronentransferierende Proteine mit Hämgruppe Molekularelektronik - 26.04.05 Viele Metalloproteine katalysieren Redoxreaktionen cytochrome P450 Herstellung eines Alkohols R-OH aus R-H Cytochrome P450 catalyzes the oxidation of a wide range of substances from alkanes to alkenes, aromatic rings, thioethers or amines. During the reaction cycle triplet dioxygen is converted to iron-bound activated singlet dioxygen which actually does the oxidation after O-O bond breaking. Molekularelektronik - 26.04.05 Leitwertsmessungen an Azurinen (Rinaldi 2003) Molekularelektronik - 26.04.05 Energiefluss durch das Ökosystem Elektronentransferketten Molekularelektronik - 26.04.05 Elektronentransferketten: Atmung Molekularelektronik - 26.04.05 dabei kommt es zu „molekularelektronischen Situationen“ ... Molekularelektronik - 26.04.05 Elektronentransferketten: Photosynthese Molekularelektronik - 26.04.05 Photosynthese: Antennenkomplex Molekularelektronik - 26.04.05 Photosynthese: PS I und PS II Molekularelektronik - 26.04.05 Das gleiche Bild nochmal ... Molekularelektronik - 26.04.05 und nochmal anders... Molekularelektronik - 26.04.05 Molekularelektronik - 26.04.05 Biomolekulare Elektronik mit PS I (Greenbaum 1997) Molekularelektronik - 26.04.05 Molekulare Elektronik in der Biologie 1. Elektrochemie 2. Biosensorik 3. Elektronentransfer in biologischen Systemen 4. Ionik statt Elektronik Molekularelektronik - 26.04.05 Ionentransport Molekularelektronik - 26.04.05 Nervenleitung: Aktionspotentiale Molekularelektronik - 26.04.05 Nervenleitung: was passiert ? Molekularelektronik - 26.04.05 Das Patch Clamp-Verfahren Molekularelektronik - 26.04.05 Natriumkanäle mit Patch Clamp Molekularelektronik - 26.04.05 Pharmakologische Bedeutung: Umsätze Protein Family 7 TMRs Enzymes (non-proteases) Ion channels Nuc.hormone receptors Bio-therapeutics Proteases Symporters Pumps Structural Unknown Others Total Drugs Available Distinct Targets 38 28 28 20 20 10 6 4 1 11 3 169 25 15 5 8 2 3 2 1 2 59 Worldwide Sales (US$ billions) 21.3 16.8 12.0 7.6 9.0 7.1 6.4 6.0 0.9 3.7 1.0 91.9 Worldwide sales of ion channel & transporter drugs*: > 24 billions US$, data courtesy of A.E. Busch, 1999, Aventis. Molekularelektronik - 26.04.05 Viele Gene kodieren für Kanäle Science 2001, 291, 1304-1351 Molekularelektronik - 26.04.05 Sensorik mit Poren und Kanälen Meller, A., L. Nivon, et al. (2001). “Voltage-driven DNA translocations through a nanopore.” PRL 86(15): 3435-3438. Molekularelektronik - 26.04.05
