Molekulare Elektronik in der Biologie - LMU München · Molekularelektronik - 26.04.05 Molekulare Elektronik in der Biologie 1. Elektrochemie 2. Biosensorik 3. Elektronentransfer

Molekularelektronik - 26.04.05

Molekulare Elektronik in der Biologie

1. Elektrochemie

2. Biosensorik

3. Elektronentransfer in biologischen Systemen

4. Ionik statt Elektronik

Beierlein, Nickel, Simmel: Hauptseminar Molekularelektronik, SS 2005



1. Elektrochemie

2. Biosensorik




Molekularelektronik

= Elektronentransfer + Moleküle

= Elektrochemie ?


Elektrochemie

Grundlagen: Redoxreaktionen

−−

−+

⎯→⎯+

+⎯→⎯

B eB

eAA Oxidation

Reduktion

−+⎯→⎯+ B A BA Redox-Reaktion


Redoxreaktionen: Beispiel

O4HMn8H5eMnO

eFeFe

22

4

32

+⎯→⎯++

+⎯→⎯++−−

−++

O4HMn5Fe8HMnO5Fe 223

42 ++⎯→⎯++ +++−+

Permanganat oxidiert Fe(II) zu Fe(III)


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

00 nFEG r −=∆⎯→⎯+ −+ reduziert neoxidiertn

ZnCuZnCu

ZnCuZnCu22

22

+⎯→⎯+

+⎯→⎯+++

++

oder ?

Man betrachtet diese Teilprozesse:

0E heisst Standardpotential


Elektrochemie

Redoxpotential und Elektrochemische Reihe

entreisst die Redoxspeziesdem Wasserstoff ein Elektron(oxidiert ihn) oder gibt sie eher eines ab (wird selbst oxidiert) ?

bringt man zwei Spezies zusammen, so wird tendenziell diejenigemit dem höheren Standardpotential reduziert, die andere oxidiert

+1.50

+0.80

+0.34

0

-0.13

-0.44

-0.76

-1.66

-2.37

-2.71

-2.87

-2.92

-3.03

++ +⎯→⎯+ 22 ZnCuZnCu

also ...


Donor – Bridge – Acceptor – (DBA) – Systeme

Nature 396, 60 (1998)


Elektrochemie

Elektrochemisches Grundexperiment I: Galvanisches Element

Zwei Lösungen, zwei Elektroden, eine Potentialdifferenz tritt auf:

CuSO4

ZnSO4

Zn

Cu

Kupfer-Zink-Zelle


Elektrochemie

Elektrochemisches Grundexperiment I: Galvanisches Element

Zwei Lösungen, zwei Elektroden, eine Potentialdifferenz tritt auf:

CuSO4

ZnSO4

Zn

Cu

Kupfer-Zink-Zelle

e-

Reduktion von Cu-Ionen

+-

Oxidation von Zn

Kathode: Elektrode, an der Elektronenin die Lösung gelangen

Anode


Elektrochemie

Elektrochemisches Grundexperiment II: Elektrolyse

Eine Lösung und zwei Elektroden, wir legen eine Spannung an:

+ -

HCl

KathodeAnode

Wasserstoff entsteht durch Reduktion von H+

Chlorgas entsteht durch Oxidation von Cl-

Gleichstrom ist zwangsläufig mit chemischenReaktionen an den Elektroden verknüpft


Elektrochemie

Elektrolysezelle, Ersatzschaltbild

Elektrische Doppelschicht:Kondensator + nichtlinearer Widerstand

RE

Elektrolyt


- Stern-Schicht: „unbewegliche Ladungen“

Dicke der Stern-Schicht in etwa gleich der

„Bjerrum-Länge”

Tk

el

BrB

0

2

4 επε=

das ist ~ 0.7 nm in Wasser bei RT

Die elektrische Doppelschicht

- Diffuse Schicht: Diffusion arbeitet gegen

die elektrostatische Anziehung

(Ionen nicht verteilt wie innerhalb der Lösung)

Gouy -Chapman-Stern-Modell

Elektrode und Elektrolyt im Gleichgewicht

Elektrochemie


Poisson-Boltzmann (I)

)x()(czTk

ei

i

2i

B0r

2

Φ∞εε

=∆Φ ∑

( )Tk/)x(ezexp)(cez1

Biii

i0r

Φ−∞εε

−=∆Φ ∑

IlczTk

eBi

ii

Br

πεε

κ 4)(2

0

22 =∞= ∑

im Debye-Hückel-Limes:

Debye-Hückel-Parameter:

Debye-Abschirmlänge:I

TK1078.1 2/1111

D ××=κ=λ −−−

= 9.75 nm, 3.08 nm, 0.975 nmfür 1 mM, 10 mM, 100 mM Salz @ 300 K

Die Verteilung der beweglichen Ionen kann bestimmt werden aus:


Poisson-Boltzmann (II)

a1

1

r

))ar(exp(

4

Q)r(

0r κ+−κ−

επε=Φ

)xexp()x(0r

κ−κεε

σ=Φ

Potential nahe einer Ebene:

Potential nahe einer Kugel:

1´ 10-9 2´ 10-9 3´ 10-9 4´ 10-9 5´ 10-9

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

501 502 503 504 505

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Radius r = 500 nm, κ = (1 nm)-1, Flächenladungsdichte σ = 0.08 C/m2

Flächenladungsdichte σ = 0.08 C/m2 (0.5 e/nm2)


Elektrochemie

Galvani-Potential-Differenz/Nernst-Gleichung

(M)2e(aq)CuCu(M) 2 −+ +⎯→←

ϕµµ zF+=~

Gleichgewicht

elektrochemisches Potential

Mee

sCuCuCuCu

FMaRTM

FaqaRTaqMaRT

ϕµ

ϕµµ

2)(ln)(

2)(ln)()(ln0

0022

+++

++=+

−−

++

)(ln2

20 aqaF

RTCu +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+∆=∆ ϕϕ Galvani-Potential-Differenz

)(ln0 aqazF

RTEE zM +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+= Potential einer Metallelektrode in Kontakt

mit einer Metallionenlösung der Aktivität a


Messtechnik: Der Potentiostat

Elektrochemie

http://www-biol.paisley.ac.uk/

Drei Elektroden:

- Referenzelektrode: hier wird dasPotential gemessen

- Gegenelektrode: Hier wird Stromin den Elektrolyten geschickt, umdas Potential zu halten.

- Arbeitselektrode: Hier geschehen die Reaktionen von Interesse undhier wird der Strom gemessen


Das zyklische Voltammogramm: statt einer IV-Kurve ...

Elektrochemie

http://www-biol.paisley.ac.uk/marco/Enzyme_Electrode/Chapter1/Ferrocene_animated_CV1.htm

„elektrochemischeSpektroskopie“


Das ist auch wichtig für Molekularelektroniker !

Elektrochemie

Nature 417, 722 (2003)



1. Elektrochemie

2. Biosensorik




Biosensorik

Die Grundaufgabe der Sensorik:

• Detektion eines „Vorgangs“

• Übersetzung in ein (meist) elektronisches SIgnal:

Im Falle der Biosensorik:

wichtig:

• Sensitivität

• Selektivität


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)

Biosensorik


Typen von Biosensoren:

Biosensorik

• Amperometrisch: Redoxenzym erzeugt Ladungen, die elektrochemisch ausgelesen werden

• Potentiometrisch: Potentialänderung aufgrund Anbindeneines Moleküls oder enzymatischer Aktivität ( 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

• ...


MOSFET-basierte Sensoren:

ISFET=Ion sensitive/selectivefield effect transistor


MOSFET-basierte Sensoren:

ENFET=Enzyme FET

Konzept: Ein Produkt derenzymkatalysierten Reaktionkann detektiert werden

Enzym ist in Gel immobilisiertDual gate: Referenz ohne Enzym


MOSFET-basierter DNA-Sensor (FZ Jülich):


DNA-Analyse-Chip: Elektrochemisch

Fraunhofer ISIT/Infineon/Siemens


JACS 124, 770 (2002)

DNA-Erkennung wirdmit Hilfe von Glucose/Glucoseoxidase inein elektrochemischesSignal übersetzt


Anforderungen an Biosensoren:

Biosensorik

• Selektivität

• Sensitivität

• Lebensdauer

• Wiederverwendbarkeit

• Geschwindigkeit/Ansprechzeit

• Biokompatibilität (für in vivo-Anwendungen)


Anwendungen von Biosensoren:

Biosensorik

• Biomedizinisch/Klinisch

• Landwirtschaft

• Umwelt

• Nahrungsmittelqualität

• Biologisch-chemische Kampfstoffe



1. Elektrochemie

2. Biosensorik




• Redoxenzyme: Katalysieren wichtige Redoxreaktionen

• Elektronentransferketten: Atmung, Photosynthese

• DNA-Reparatur ?

Wichtige Moleküle/Molekülgruppen:

NADH/NAD+, FADH2/FAD, FMNH2/FMN

Hämgruppen Porphyrine, Flavingruppen, Kupferionen,

Chinon (Quinone), Eisen-Schwefel-Cluster

Elektronentransfer in biologischen Systemen


Beispiele für Enzyme, die an Redoxreaktionen beteiligt sind

Oxidasen/Reduktasen:allg., katalysieren Redoxreaktionen

Katalase: Hämprotein, das Wasserstoffperoxid entsorgt

Peroxidasen: Hämenzyme, die analog ein Alkylperoxid abbauen

Cytochrome: elektronentrans-ferierende Proteine mit Hämgruppe

AOHROH

AHOH-RO

2

2

++⎯→⎯+

2222 OO2HO2H +⎯→⎯

Rede Ox

e OxRed

2-

2

-11

⎯→←+

+⎯→←kann auch Elektrode sein


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.

Viele Metalloproteine katalysieren Redoxreaktionen

cytochromeP450

Herstellung einesAlkohols R-OHaus R-H


Leitwertsmessungen an Azurinen (Rinaldi 2003)


Energieflussdurch das Ökosystem

Elektronen-transferketten


Elektronentransferketten: Atmung


dabei kommt es zu „molekularelektronischen Situationen“ ...


Elektronentransferketten: Photosynthese


Photosynthese: Antennenkomplex


Photosynthese: PS I und PS II


Das gleiche Bild nochmal ...


und nochmal anders...



Biomolekulare Elektronik mit PS I (Greenbaum 1997)



1. Elektrochemie

2. Biosensorik




Ionentransport


Nervenleitung: Aktionspotentiale


Nervenleitung: was passiert ?


Das Patch Clamp-Verfahren


Natriumkanäle

mit Patch Clamp


Worldwide sales of ion channel & transporter drugs*: > 24 billions US$, data courtesy of A.E. Busch, 1999, Aventis.

Protein FamilyDrugs

AvailableDistinct Targets

Worldwide Sales(US$ billions)

382828202010641113

169

251558-2321-259

21.316.812.07.69.07.16.46.00.93.71.091.9

7 TMRsEnzymes (non-proteases)Ion channelsNuc.hormone receptorsBio-therapeuticsProteasesSymportersPumpsStructuralUnknownOthersTotal

Pharmakologische Bedeutung: Umsätze


Science 2001, 291, 1304-1351

Viele Gene kodieren für Kanäle


Sensorik mit Poren und Kanälen

Meller, A., L. Nivon, et al. (2001).“Voltage-driven DNA translocationsthrough a nanopore.” PRL 86(15): 3435-3438.

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