Inleiding Beweging in de cel op nanoschaal bekeken

Transcriptie

1 Inleiding Beweging in de cel op nanoschaal bekeken Lapptop Natuurkunde 2 voorjaar 2011 Jante Salverda 20 januari 2011

2 Inleiding Programma 20 januari, : college celbiologie (huiswerk) 27 januari, : college diffusie (huiswerk) 3 februari, : college motoreiwitten (huiswerk) 10 februari, : experimenten E. coli en microtubuli 17 februari, : uitwerking experimenten & rondleiding 3 maart, middag: excursie Amolf

3 Inleiding Eindbijeenkomst Eindbijeenkomst van alle LAPP-Top programma s: - 28 april Meer informatie (tijd en plaats) volgt - Per LAPP-Top 1 presentatie van een groepje (2 of 3 personen) - Vrijwilligsters? Deelnemersverslag: - Voor 3 april 2011 deelnemersverslagen inleveren bij centrale organisatie - Iedereen schrijft een verslag (max. 1 kantje A4) - Bij ons inleveren uiterlijk 3 maart 2011

4 Inleiding Thema Beweging op de schaal van de cel en van enkele moleculen. Contrast diffusie en gerichte beweging. College 1: celonderdelen met nadruk op beweging; microscopie. College 2: de natuurkunde van diffusie en de rol van wrijving op nanoschaal. College 3: eigenschappen van motoreiwitten, hun bewegingscyclus en gebruik ATP. Experimenten: - bacteriële groei en beweging - lopende microtubuli

5 Inleiding Doel Verbinding tussen biologie en natuurkunde: nieuwe kijk op biologie nieuwe kijk op natuurkunde Beweging als thema: natuurkunde in de biologie essentieel voor leven Indruk van het biofysisch onderzoek

6 College 1: cellen in beweging Hoe ziet de cel er uit: onderdelen Welke structuren spelen een rol bij de beweging: cytoskelet Wat voor typen beweging zijn er: diffusie, gerichte beweging - gehele cellen - binnenin cellen Wat voor technieken worden er gebruikt: microscopie

7 Celonderdelen Prokaryoten en eukaryoten

8 Celonderdelen Prokaryoot (bacterie) Omhulsel met 3 lagen: - membraan met pili (haartjes) - celwand - membraan Inhoud (cytoplasma): - losse eiwitten - los DNA Eventueel: - flagella (zwemstaart)

9 Celonderdelen Eukaryoot (plant en dier)

10 Celonderdelen Celkern

11 Celonderdelen Membraan Voorbeeld lipide-molecuul (ether)

12 Celonderdelen Endoplasmatisch reticulum

13 Celonderdelen Golgi-apparaat

14 Celonderdelen Mitochondrie

15 Celonderdelen Chloroplast

16 Celonderdelen Endosymbiose Evolutie: bacterie ingeslikt -> mitochondrie fotosynthetische cyanobacterie ingeslikt -> chloroplast

17 Cytoskelet Cytoskelet Actine Microtubuli

18 Cytoskelet Buisvormig, opgebouwd uit dimeer van en tubuline Microtubuli Startpunt: centrosoom vlakbij celkern Voortdurende bouw en afbraak Transport: motoren kinesine en dyneine

19 Cytoskelet Microtubuli en mitose Celdeling: Chromosomen worden verplaatst door microtubuli

20 Cytoskelet Actine Helix opgebouwd uit actine monomeren Vooral aan buitenkant net onder membraan: actine cortex Transport: motoreiwit myosine

21 Cytoskelet Actine en spieren Actine + myosine verzorgen spierwerking

22 Cytoskelet Intermediaire filamenten Alleen stevigheidsfunctie Lamine in celkern Netwerk door gehele cel Diverse typen: - lamine (celkern) - keratine (huid, haar) - ook in zenuwcellen, spieren,...

23 Beweging Beweging van de hele cel Diffusie Gerichte beweging

24 Beweging Diffusie Diffusie van moleculen Willekeurige beweging van moleculen + botsingen onderling verspreiding Diffusie van grotere deeltjes Diffusie: - spontaan - ongericht - vooral snel op kleine schaal

25 Beweging Actieve verplaatsing Als diffusie niet voldoet: gerichte beweging - kost energie - motoreiwitten en filamenten nodig - hele cellen: speciale structuren Zwemmende cel met flagella (staart) Kruipende cel

26 Beweging Cilia Cilia = bewegende haartjes - in bosjes bij elkaar - zorgen voor verplaatsing cel - of verplaatsing omgeving (bv. slijm) Structuur: - ring van microtubuli - verbonden met motoreiwitten - vervormt tbv. beweging

27 Beweging Flagella Flagella: - grote zwemstaart (bv. van eutriella) - zelfde binnenstructuur als cilia Bacteriële flagella: - 1 buis filamenten (flagellin) - motor aan het begin: rotatiemotor

28 Beweging Kruipende cel Kruipen met actine: - vorming uitsteeksel (protrusie) - groeien aan 1 kant - hechten aan omgeving met focale adhesie-punten - krimpen/terugtrekken aan achterkant

29 Beweging Actine-protrusies Focale adhesies (paars): - actinebundels steken uit - integrin eiwitten hechten aan ondergrond Uitsteeksel (protrusie): - grote lamellipodium (vlak) - filopodia (dunne sprieten)

30 Beweging Spieren Spiercel: - dunne filamenten = actine (licht) - dikke filamenten = bundel myosine (donker) - samentrekking door in elkaar schuiven

31 Beweging Beweging in de cel Diffusie Gerichte beweging

32 Beweging Diffusie Diffusie in de cel: - kleine veelvoorkomende moleculen: suiker, ATP, zouten - gelijke concentraties binnen de cel - membraan houdt diffusie tegen - osmose = waterdiffusie door membraan heen Calciumgolf na bevruchting zeester-ei

33 Beweging Actief transport Actief transport: - door motoreiwitten + filamenten - motoreiwit draagt cargo en loopt over filament - cargo = blaasje met stoffen, organel,...

34 Beweging Chemotaxis Chemotaxis = bewegingsreactie cel - waarnemen stof door receptor - signaalverwerking - beweging cel (naar/van stof) Dictyostelium discoideum: - slijmschimmel - aggregatie tbv. migratie naar meer voedsel - communicatie via cyclische AMP

35 Beweging Chemotaxis signaling Receptor-eiwit in membraan neemt stof waar: Vormverandering receptor -> reactie met andere eiwitten -> vervolgreacties -> invloed op bijv. rotatie van flagella (Escherichia coli)

36 Beweging E coli in motion Zwemmen en draaien

37 Beweging Biased random walk Escherichia coli: - stuk rechtdoor zwemmen (run) - waarnemen voedingsstof: * toename -> langer rechtdoor * geen verandering -> draaien (tumble) netto richting meer voedingsstof

38 Microscopie Techniek: microscopie Microscoop: - cellen anders niet zichtbaar - set vergrotende lenzen (tot 1000x) - beeld voor oog/op camera

39 Microscopie Microscoop : eyepiece 2: objectief 3: preparaat-tafel 4: condensor 5: lichtbron 6: scherpstelknop Infinity systeem: - evenwijdige bundel na objectief - daarin optica plaatsen - evt. camera na tube lens - vergroting = f tube / f objectief

40 Microscopie Helderveld en fasecontrast Contrast Fasecontrast en DIC Contrastverhogende methoden: - fasecontrast (met ringen): brekingsindex zichtbaar - differentieel interferentiecontrast (DIC; met prisma s): randen zichtbaar

41 Microscopie Fluorescentie Lichtopname (absorptie) door molecuul: -> overgang naar aangeslagen toestand -> terugvallen door licht uitzenden Fluorescentie = roder dan absorptie Kleurstoffen aan eiwit/structuur Via genenmanipulatie in levende cellen

42 Microscopie Resolutie Lichtmicroscoop: beperkt door buiging van licht Buigingspatroon: airy schijf - d 0 = /2 NA - NA: numerieke apertuur - NA = n sin Objectief voorbeeld: 100x, NA=1.4: d 0 = 260 nm

43 Microscopie Single-molecule (1) Fluorescentiemicroscopie aan 1 molecuul: - sub-diffractie resolutie: centrum airy-schijf telt - precisie tot 1 nm! - lopen van motoreiwitten, diffusie receptoren - structuren met PALM (photo activation localization microscopy) r

44 5 μm 500 nm

45 Microscopie Single-molecule (2) Optische pincet: - bolletje (bead) in lichtbundel vast door lichtkracht (breking) - molecuul volgen via bead - lopen van motoreiwit - trekkracht DNA

46 Microscopie Electronenmicroscopie Licht = golf en deeltje (foton) Elektron = deeltje en golf Golflengte veel korter: hogere resolutie Geschikt voor structuren Geen beweging te volgen

47 Take home Diffusie: - Verspreiding van deeltjes door random beweging - Moleculen in/rondom cel - Hele cellen - Vooral op kleine schaal Gerichte beweging: - Het cytoskelet zorgt voor stevigheid en beweging - Motoreiwitten kunnen hier cargo overheen slepen - Filament + motoreiwitten ook in grotere beweegstructuren: cilia, flagella, spieren Chemotaxis: - Waarnemen stoffen in omgeving - Reactie in cel - Reactie door cel: gerichte beweging

48 Take home/2 Microscoop: - nodig om cellen te bekijken - vergroting mbv. lenzenstelsel - speciale methoden: contrastverhoging, fluorescentie Resolutie: - grootte diffractiepatroon d 0 = /2 NA - enkele moleculen: piekpositie van diffractiepatroon telt - elektronenmicroscoop: kleinere, kleinere d 0