cellen in beweging

Inleiding
Beweging in de cel op nanoschaal bekeken
Lapptop Natuurkunde 2
voorjaar 2011
Jante Salverda
20 januari 2011
Inleiding
Programma
20 januari, 14.00-16.00:
college celbiologie
(huiswerk)
27 januari, 14.00-16.00:
college diffusie
(huiswerk)
3 februari, 14.00-16.00:
college motoreiwitten
(huiswerk)
10 februari, 13.00-17.00: experimenten E. coli en microtubuli
17 februari, 13.30-17.00: uitwerking experimenten
& rondleiding
3 maart, middag:
excursie Amolf
Inleiding
Eindbijeenkomst
Eindbijeenkomst van alle LAPP-Top programma’s:
- 28 april 2011
- 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
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
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
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
Celonderdelen
Prokaryoten en eukaryoten
Celonderdelen
Prokaryoot (bacterie)
Omhulsel met 3 lagen:
- membraan met pili (haartjes)
- celwand
- membraan
Inhoud (cytoplasma):
- losse eiwitten
- los DNA
Eventueel:
- flagella (zwemstaart)
Celonderdelen
Eukaryoot (plant en dier)
Celonderdelen
Celkern
Celonderdelen
Membraan
Voorbeeld lipide-molecuul (ether)
Celonderdelen
Endoplasmatisch reticulum
Celonderdelen
Golgi-apparaat
Celonderdelen
Mitochondrie
Celonderdelen
Chloroplast
Celonderdelen
Endosymbiose
Evolutie:
bacterie ingeslikt
-> mitochondrie
fotosynthetische cyanobacterie
ingeslikt
-> chloroplast
Cytoskelet
Cytoskelet
Actine
Microtubuli
Cytoskelet
Microtubuli
Buisvormig, opgebouwd uit dimeer van
 en  tubuline
Voortdurende bouw en afbraak
Startpunt: centrosoom vlakbij celkern
Transport: motoren kinesine en dyneine
Cytoskelet
Microtubuli en mitose
Celdeling:
Chromosomen worden
verplaatst door microtubuli
Cytoskelet
Actine
Helix opgebouwd uit actine monomeren
Vooral aan buitenkant net onder membraan:
actine cortex
Transport: motoreiwit myosine
Cytoskelet
Actine en spieren
Actine + myosine verzorgen spierwerking
Cytoskelet
Intermediaire filamenten
Lamine in celkern
Alleen stevigheidsfunctie
Netwerk door gehele cel
Diverse typen:
- lamine (celkern)
- keratine (huid, haar)
- ook in zenuwcellen, spieren, ...
Beweging
Beweging van de hele cel
• Diffusie
• Gerichte beweging
Beweging
Diffusie
Diffusie van moleculen
Willekeurige beweging van moleculen
+ botsingen onderling
 verspreiding
Diffusie van grotere deeltjes
Diffusie:
- spontaan
- ongericht
- vooral snel op kleine schaal
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
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
Beweging
Flagella
Flagella:
- grote zwemstaart (bv. van eutriella)
- zelfde binnenstructuur als cilia
Bacteriële flagella:
- 1 buis filamenten (flagellin)
- motor aan het begin: rotatiemotor
Beweging
Kruipende cel
Kruipen met actine:
- vorming uitsteeksel (protrusie)
- groeien aan 1 kant
- hechten aan omgeving met
focale adhesie-punten
- krimpen/terugtrekken aan
achterkant
Beweging
Actine-protrusies
Focale adhesies (paars):
- actinebundels steken uit
- integrin eiwitten hechten aan
ondergrond
Uitsteeksel (protrusie):
- grote lamellipodium (vlak)
- filopodia (dunne sprieten)
Beweging
Spieren
Spiercel:
- dunne filamenten = actine (licht)
- dikke filamenten = bundel myosine (donker)
- samentrekking door in elkaar schuiven
Beweging
Beweging in de cel
• Diffusie
• Gerichte beweging
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
Beweging
Actief transport
Actief transport:
- door motoreiwitten + filamenten
- motoreiwit draagt cargo en loopt over filament
- cargo = blaasje met stoffen, organel, ...
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
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)
Beweging
E coli in motion
Zwemmen en draaien
Beweging
Biased random walk
Escherichia coli:
- stuk rechtdoor zwemmen (run)
- waarnemen voedingsstof:
* toename -> langer rechtdoor
* geen verandering -> draaien (tumble)
 netto richting meer voedingsstof
Microscopie
Techniek: microscopie
Microscoop:
- cellen anders niet zichtbaar
- set vergrotende lenzen (tot 1000x)
- beeld voor oog/op camera
Microscopie
Microscoop
5
4
1
3
1: eyepiece
2: objectief
3: preparaat-tafel
4: condensor
5: lichtbron
6: scherpstelknop
2
6
Infinity systeem:
- evenwijdige bundel na objectief
- daarin optica plaatsen
- evt. camera na tube lens
- vergroting = ftube / fobjectief
Microscopie
Contrast
Helderveld en fasecontrast
Fasecontrast en DIC
Contrastverhogende methoden:
- fasecontrast (met ringen): brekingsindex zichtbaar
- differentieel interferentiecontrast (DIC; met prisma’s): randen zichtbaar
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
Microscopie
Resolutie
Lichtmicroscoop: beperkt door buiging van licht
Buigingspatroon: airy schijf
- d0 = /2 NA
- NA: numerieke apertuur
- NA = n sin 
Objectief voorbeeld: 100x, NA=1.4: d0 = 260 nm
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
500 nm
5 μm
Microscopie
Single-molecule (2)
Optische pincet:
- bolletje (bead) in lichtbundel vast door
lichtkracht (breking)
- molecuul volgen via bead
- lopen van motoreiwit
- trekkracht DNA
Microscopie
Electronenmicroscopie
Licht = golf en deeltje (foton)
Elektron = deeltje en golf
Golflengte veel korter: hogere resolutie
Geschikt voor structuren
Geen beweging te volgen
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
Take home/2
Microscoop:
- nodig om cellen te bekijken
- vergroting mbv. lenzenstelsel
- speciale methoden: contrastverhoging, fluorescentie
Resolutie:
- grootte diffractiepatroon d0 = /2 NA
- enkele moleculen: piekpositie van diffractiepatroon telt
- elektronenmicroscoop: kleinere , kleinere d0