Lecture Notes

Hier eine Zusammenfassung und Motivation aller hier verfügbaren Texte.

S.1: Evolution als Zusammenspiel von Genetik und Physik [Link: Hier]

Die schier unendliche Vielfalt der Lebewesen schaffte Mutter Natur mit einer erstaunlich kleinen Zahl organischer und anorganischer Moleküle. Dieses Wunder gelang durch Zusammenspiel von Physik, Chemie und Genetik, kombiniert mit dem Prinzip des hierarchischen Aufbaus lebender Materie. Viele technischen Konzepte und Methoden der Materialherstellung, die wir Menschen im Lauf der Jahrtausende erfanden, nutzt die Natur schon seit Billionen Jahren. Die biologische Evolution erfolgte in Schüben, die durch Lebensbedrohende Krisen angestoßen wurden. Herausragende Beispiele der präbiotischen Evolution sind (i) der Aufbau Energie produzierender Maschinen durch die „Erfindung“ der protomotorischen Kraft; (ii) die Entwicklung des protonengetriebenen Rotationsmotors, der den Bakterien ermöglichte die biochemische Reaktionen durch Kontrolle des intrazellulären pH zu optimieren und Nahrung zu suchen; die Evolution der Photo-Systeme, mit der die Basis für die Entwicklung höherer Lebensformen geschaffen wurde. Die Evolution höherer Lebenswesen wurde durch zahlreiche Skalengesetze der Physik bestimmt, wie am Fall des Paradigmenwechsels beim Übergang des Schwimmen von extrem kleinen zu großen Reynolds-Zahlen gezeigt wird. Dieses Kapitel soll den Leser dazu anregen, von der Natur zu lernen, wie man neuartige komplexe Materialien durch Selbstorganisation smarter Moleküle aufbauen kann.

S. 10: Landau-Theorie der Phasenumwandlung von Membrane [Link: Hier]

Die klassische Landau-Theorie der Phasenumwandlungen ist immer noch unverzichtbar wenn es darum geht, Beziehungen zwischen thermodynamische, mechanischen und elektrischen Eigenschaften in den verschiedenen Phasenzuständen herzustellen. Sie ermöglicht Suszeptibilitäten in verschiedenen Phasenzuständen zu vergleichen, die angeben, wie stark sich extensive Größen (z.B. die thermische Ausdehnung) bei Variation einer intensiven Größe (z.B der Temperatur oder des Drucks) ändern. Sie liefert Vorschriften zur Untersuchung der Ordnung der Phasenumwandlungen oder zur Suchen nach kritischen Phänomennen. Außerdem gibt sie Einblick in die durch Lipide vermittelte Protein-Protein-Wechselwirkung oder ermöglicht Abschätzungen der Wirkung lokaler Fluktuationen des Ordnungsparameters.

S. 32: Zur Physik des Schalls [Link: Hier]

Da man als Student heute in der Regel wenig über Physik des Schalls und dessen Wechselwirkung mit Materie lernt, sollen hier einige wichtige Grundlagen zusammengestellt werden. Dabei werden die für das Hören wichtige Eigenschaften wie akustische Impedanz und Impedanzanpassung eingeführt.

S. 37: Strukturuntersuchung mit Kleinwinkelstreuung [Link: Hier]

Die Bestimmung der Struktur komplexer Materialien oder supramolekularer Komplexen mit Streumethoden ist eine mühsame aber unausweichliche Aufgabe der Materialforschung und der Biophysik. Die Aufgabe wird nur dadurch etwas vereinfacht, dass die physikalischen Grundlagen der Streuung von Neutronen (engl. small angle neutron scattering (SANS)), Licht (small angle X-ray scattering, SAXS)) oder Elektronen denselben Gesetzen genügen. An der Methode der Kleinwinkelstreuung kann man lernen, wie man die Struktur komplexer Materialien durch die Verteilung der Elektronen oder Kerne charakterisieren kann.

S. 40-42: Morphogenese

In den folgenden drei Kapitel (40-42) sollen die wesentlichen Prozesse der Strukturierung der Embryone in groben Zügen dargestellt und die, vom Standpunkt der Physik relevanten, Aspekte dargestellt werden. Detaillierte Darstellungen und experimentelle Beweise der Aussagen findet man in den Büchern der Entwicklungsbiologie und Zellbiologie (s. [Alberts et al 1996] Ch. 21 oder [Lodish et al. 1995Ch. 22] und in zahlreichen Übersichtsartikeln 1. Die Entwicklungsbiologie ist ein sehr breites Feld und nimmt in den Büchern der Zellbiologie zusammen mit dem Problem der Steuerung der embryonalen Entwicklung mehrere Kapitel in Anspruch. Eine ausführliche Darstellung würde den Rahmen dieser Lecture Note sprengen. Wir betrachten daher nur zwei charakteristische Beispiele, an denen man die Prinzipien der Zell-Differenzierung durch genetische Expression eingehend untersucht wurde.

S.40 Segmentierung der Insekten und die Bildung der Vorläufer der Skelettmuskeln, den Somiten. [Link: Hier]

In diesem einführenden Kapitel betrachten wir die Frühphase der Entwicklung: Vom befruchteten Ei zur Neuralröhre. Es gibt mehrere Millionen von Tierarten mit extrem unterschiedlichem Aussehen. Man würde intuitiv erwarten, dass Ihre Entwicklung völlig verschieden verläuft. Die große Überraschung der Entwicklungsbiologie war die Entdeckung, dass die Entwicklung der Wirbeltiere und Insekten nicht nur nach einem erstaunlich ähnlichen Schema verläuft, sondern dass sie oft von ähnlichen Genen und Transkriptionsfaktoren gesteuert wird. Dies rechtfertigt die Strategie, einige Musterbeispiele (Paradigmen) zu betrachten, an denen die Mechanismen der embryonalen Entwicklung seit vielen Jahren systematisch untersucht wurden. Dazu zählen der Wurm Elegans, die Fruchtfliege Drosophila, die Amphibien und, neuerdings, die Hühner und Mäuse.

S. 41Vom Ei zum Embryo: Musterbildung durch genetisch gesteuerte morphogenetische Felder [Link: Hier]

In diesem Kapitel gehen wir der Frage nach, wie während der Entwicklung des Embryos zelluläre Muster, Körperteile und Organe durch räumlich und zeitlich programmierte Zell-Dfferenzierung entstehen. Wir betrachten dazu die Entwicklung von Insektenflügel der Drosophila, die während der letzten 50 Jahre besonders intensiv untersucht wurde. An diesem Beispiel sollen fundamentale Konzepte der embryonalen Entwicklung von Organen eingeführt werden. Viele Gene und Mechanismen zur Steuerung der Genexpression in der Frühphase der embryonalen Entwicklung haben sich im Verlauf der biologischen Evolution wenig verändert. Sie verlaufen bei Insekten und bei Wirbeltieren erstaunlich ähnlich. Daher ist es sinnvoll, sich an einem gut untersuchten Beispiel in die fundamentalen Prozesse der Entwicklungsbiologie einzuarbeiten. Die Prozesse sind zwar bei höheren Lebewesen wesentlich komplizierter als bei Insekten, verlaufen aber, nach dem heutigem Stand der Kenntnis, nicht prinzipiell anders. Dies wird am Beispiel der HOX-Gene gezeigt. Die Analogie reicht sogar bis zur Kontrolle des Stoffwechsels durch Hormone, wie Insulin, das den Metabolismus der Fette und Kohlenhydrate in Fett-Zellen reguliert. Wenn man die Prinzipien der genetischen Kontrolle der Organbildung am einfachen Beispiel der Flügelbildung gut verstanden hat, hat man die Voraussetzung geschaffen, um komplexere Fragestellung der embryonalen Entwicklung anzugehen.

S42. Autonome Gen-Oszillationen und mechanische Kräfte steuern die Segmentierung der Wirbeltiere [Link: Hier]

In diesem Kapitel werden wir ein neues universelles Prinzip der Entwicklungsbiologie kennen lernen: Die Segmentierung des Gewebes durch genetische Oszillatoren. Ein zentrales Paradigma der Segmentierung ist die Entwicklung der Somiten. Bei diesen handelt es sich um lineare Anordnungen kugelförmiger Klumpen aus Mesenchymzellen, die von einer Hülle aus Endothelzellen umgeben sind und dem Embryo eine Segmentierung aufprägen. Im Verlauf der Entwicklung entstehen daraus u. a. die Rippen, die Haut und die Skelettmuskeln. Die zeitlich aufeinander folgende Bildung einzelner Somiten ist ein besonders eindrucksvolles Beispiel der Steuerung der embryonalen Entwicklung durch Gen-Oszillatoren. Die meisten Modelle der Embryogenesis betrachten nur die genetische Steuerung. Neuerdings zeigt sich jedoch, dass in der Endphase der Somitogenese hydrodynamische und elastische Kräfte ins Spiel kommen. In dieser Phase spielt die Zell-Sortierung in den Somiten durch Zelladhäsion eine zentrale Rolle.

Lecture Notes in Biological Physics.

In the „Lecture Notes” we attempt to describe real biological and physiological processes and systems on the basis of physical concepts learned in numerous studies of biomimetic systems and soft materials. The benefit of parallel teaching of Soft Matter and Biological Physics has been recently established in a series of Editorials (see http://rsc.li/10Tpqit) . Major emphasize is put on the question how biomaterial properties are controlled by cell signalling. The question of self-healing of living matter is considered as the great future challenge of Biological Physicists . We hope that by complementing the textbook in this way we can cope with the rapidly growing development of life sciences. To facilitate reading the biological sections by physicists we add to most chapters a Glossary explaining the function of specific proteins. The numbering of the Notes refers to that of the Chapters of the textbook.

S. 1. Biomimetic Physics: Nature as nanomaterial designer and engineer. [Link: Hier]

The sheer infinite manifold of living beings has been designed with an astonishing small number of organic molecules. This was achieved by interplay of physics chemistry and genetics and the concept of hierarchical design. Many concepts of human rational design of smart materials have been invented by Mother Nature several billion years ago. Nature can teach us how to design highly sophisticated mechanical structures and systems comprising lengths scales from nanometer to meters by hierarchical design from functional modules (such as lipid membranes ion pumps, and molecular motors). Outstanding examples of primordial evolution are (i) the selection of smart organic molecular resulting in the self-assembly of energy producing machines, (ii) the advent of proton powered rotating motors enabling bacteria to search for food or escape dangers (iii) the design of smart materials exhibiting shape memory for rapid switching or unique surface properties. The design of larger animals from molecular modules was guided by the scaling laws of physics.

S.9.A. Hydrophobic-electrostatic membrane coupling and activation of functional proteins. [Link: Hier]

This supplemental chapter deals with the physics of biological membrane processes mediated by transient coupling of extrinsic proteins to the inner leaflet of plasma membranes or the outer leaflet of intracellular organelles, with major emphasize on the hydrophobic-electrostatic mechanism of protein-to-membrane linkage. We start with the discussion of the protein absorption by electrostatic-hydrophobic interaction of proteins with polybasic sequences to membranes containing phosphatidylserine and phosphoinositides (PIP2, PIP3). We then show various mechanisms of protein adsorption by specific interaction of specific homology domains with lipids. These lipids can thus function as second messenger which transmits external cues into intracellular signaling and can couple signaling pathways initiated by different enzymes. An outstanding example is the stimulation of lymphocytes by transient encounters with antigen presenting cells presented in Chapter 39. Numerous keywords are defined in the Glossary to this Chapter.

S.9.B. Endoplasmatic reticulum shaping by generic mechanisms and protein-induced spontaneous curvature and branching. [Link: Hier]

This chapter deals with the surprising recent discovery that the endoplasmatic reticulum (ER) can form extended tubular network with tubules penetrating to the tip of the axons. The formation of tubular networks is controlled by the generic mechanisms of maximizing the area to volume ratio of ER membranes in the highly crowded cytoplasmic space. The elastic energy associated with the nanotube formation is minimized by spontaneous curvature inducing proteins that form complexes acting as hydrophobic wedges, such as reticulons discovered by the group of Tom Rapoport. The tubular junctions are stabilized by reticulon forming two forceps twisted by 90°. The extension into the dendrites and axons are mediated by coupling of the tubes to the microtubules which is mediated by REEP. An intriguing function of the tubular ER network is the long range stimulation of the genetic expression by calcium waves activating Ca-mediated transcription factors as suggested by Park [Park 2008]. At the end I present models of tension driven membrane fusion, (i) of bud detachment via tension driven pore formation (instead of pinching and popping).

S.13. Physics of cell adhesion [Link: Hier]

Part I: What biomimetic systems can teach us

Cell adhesion is a paradigm of the ubiquitous interplay of cell signalling, modulation of material properties and biological functions of cells. It is controlled by competition of short range attractive forces, medium range repellent forces and the elastic stresses associated with local and global deformation of the composite cell envelopes.
In the first part we review basic physical rules governing the physics of cell adhesion learned from studying biomimetic systems. Adhesion induced micro-domains couple to the intracellular actin and microtubule networks allowing cells to generate strong forces with a minimum of attractive CAMs and to manipulate other cells through filopodia over mµ distances. The adhesion strength can be adapted to external force fluctuations within seconds by varying the density of attractive and repellent CAMs through exocytosis and endocytosis or protease-mediated dismantling of the CAM-cytoskeleton link. Adhesion domains form local end global biochemical reaction centres enabling the control of enzymes. Actin-microtubule crosstalk at adhesion foci serve the mechanical stabilization of polarized cell shapes. Axon growth in tissue is guided by attractive and repulsive cues controlled by antagonistic signalling pathways. In the last subsection we present a model of adhesion mediated formation of myelin sheaths wrapped around the axon cables by suppression of electrostatic forces. This example shows how nature managed to minimize the electrical loss in axon cables by choosing the right lipid and protein composition

Part II. The role of the glycocalix

In this part we discuss several biological examples showing the key role of the glycocalix. Mixed microdomains of integrin and glycoproteins can form by actin mediated co-clustering and act as reaction centers triggering cell proliferation. A phosphorylation switch based on the actin-membrane coupler merlin enables the on-off switching of cell proliferation and lateral growth inhibition. A unique role is played by the multifunctional glycoprotein CD44 which can act as activator and inhibitor of cell adhesion and trigger cell division by lateral coupling with growth factor receptors. A model of lateral inhibition of cell proliferation by the growth factor blockade through CD 44 grafted hyaluronic acid films is described. Finally, some ideas on the dysfunction of the adhesion by transformed cells are discussed.

S. 28: Physics of cellular immune reactions

In the present complementary chapter we concentrate on an early immunological process: the stimulation of naive T-cells by a specific class of infected, antigen exposing cells, such as dendritic cells (DC) and macrophages, called “antigen presenting cells” (APC). The proliferation of naïve T-cells can be mediated by transient and long lasting encounters with APCs. We first describe the T-cell stimulation by adhesion induced microdomains, called immunological synapses (IS), whereby the microdomains act as biochemical reaction centers which prevent the access of inhibitors exposing long extracellular chains, such as the phosphatase CD45. We then show how in a secondary reaction large scale (global) reaction spaces are formed by the adhesion induced generation of ring like adhesion zones and cell polarization through actin microtubule crosstalk. The sequential stimulation of T-cells by numerous encounters with antigen presenting cells is explained in terms of the stepwise progress through the cell cycle, with each step being driven by a by certain number (quantum) of interleucine II. We then show that the effects of the SI could be integrated with the help of a transient memory generated by an allosteric enzyme (the guanine exchange factor SOS) which activates the MAPK mediated pathway of cell proliferation.

Leave a Reply

Blue Captcha Image
Refresh

*