Tissue electronics WS2023 L2 – Molecules and membranes PDF

Tissue electronics WS2023 L2 – Molecules and membranes 17.10.2023 Prof. Dr.-Ing. Francesca Santoro Our roadmap Interface Target organ/tissue Cell/neuron physiology Tissue architecture How cells ‘see’ synthetic (bio)materials State of the art bioelectronic devices Transduction Cell-chip coupling mode...

Tissue electronics WS2023 L2 – Molecules and membranes 17.10.2023 Prof. Dr.-Ing. Francesca Santoro Our roadmap Interface Target organ/tissue Cell/neuron physiology Tissue architecture How cells ‘see’ synthetic (bio)materials State of the art bioelectronic devices Transduction Cell-chip coupling modeling and characterization Microchip Design 2 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Organic semiconductors Surface functionalization Organic devices and applications Organic neuromorphics and neurohybrids Outline of the topic The molecules of life; Cell structure and basics of physiology; Reference books: The Molecular Biology of the cell (Alberts, Lewis, Roberts, 4th edition&8th edition), Garland Science. Chapters 2 (chemical components of cells), 3 (proteins) 10 (membrane structure), 11 (membrane transport and membrane potential). 3 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Levels of organisation in animal physiology 1. 2. 3. 4. 5. 4 Whole organism Organs and organ systems Tissue Cells Macromolecular structures and single molecules Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Levels of organisation in animal physiology 1. Whole Organism An organism (from Ancient Greek ὄργανον (órganon) 'instrument, implement, tool', and Ancient Greek -ισμός (-ismós)) is any biological living system that functions as an individual life form. All organisms are composed of cells. The idea of organism is based on the concept of minimal functional unit of life. Three traits have been proposed to play the main role in qualification as an organism: noncompartmentability – structure that cannot be divided without its functionality loss, individuality – the entity has simultaneous holding of genetic uniqueness, genetic homogeneity and autonomy, distinctness – genetic information has to maintain open-system (a cell). Organisms include multicellular animals, plants, and fungi; or unicellular microorganisms such as protists, bacteria, and archaea. All types of organisms are capable of reproduction, growth and development, maintenance, and some degree of response to stimuli. Most multicellular organisms differentiate into specialized tissues and organs during their development. Source:https://med.libretexts.org/Bookshelves/Anatomy_and_Physiology/Anatomy_and_Physi ology_(Boundless)/1%3A_Introduction_to_Anatomy_and_Physiology/1.2%3A_Life/1.2C%3A_L evels_of_Organization#:~:text=An%20organism%20is%20made%20up,the%20components%2 0easier%20to%20understand. 5 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Levels of organisation in animal physiology At present most biologists divide the living world into 5 kingdoms, namely: Bacteria (unicellular) Protists (unicellular) Fungi (multicellular) Plants (multicellular) Animal (multicellular) Bacteria https://en.wikipedia.org/wiki/Organism 6 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Fungi Levels of organisation in animal physiology 2. Organ and organ system An organ is a structure made up of different tissues that perform specific bodily functions. Most organs contain tissues such as parenchyma (used to perform the organ functions), stroma (connective tissue specific to organs) and epithelial. Organs may be solid or hollow, and vary considerably in size and complexity. The heart, lungs, and brain are all examples of organs. An organ system is a collection of organs that that work together to perform a similar function. There are eleven different organ systems in the human body, each with its own specific functions. One example is digestive system, which is made up of many organs that work together to digest and absorb nutrients from food. While most organ systems control a few specific physiological processes, some processes are more complex and require multiple organ systems to work together. For example, blood pressure is controlled by a combination of the renal system (kidneys), the circulatory system, and the nervous system. 7 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Levels of organisation in animal physiology 2. Organ and organ system in Animals Multicellular animals including humans have a variety of organ systems. These specific systems are widely studied in human anatomy. The functions of these organ systems often share significant overlap. For instance, the nervous and endocrine system both operate via a shared organ, the hypothalamus. For this reason, the two systems are combined and studied as the neuroendocrine system. The same is true for the musculoskeletal system because of the relationship between the muscular and skeletal systems. Cardiovascular system: pumping and channeling blood to and from the body and lungs with heart, blood and blood vessels. Digestive system: digestion and processing food with salivary glands, esophagus, stomach, liver, gallbladder, pancreas, intestines, colon, mesentery, rectum and anus. Endocrine system: communication within the body using hormones made by endocrine glands such as the hypothalamus, pituitary gland, pineal body or pineal gland, thyroid, parathyroids and adrenals, i.e., adrenal glands. Excretory system: kidneys, ureters, bladder and urethra involved in fluid balance, electrolyte balance and excretion of urine. Lymphatic system: structures involved in the transfer of lymph between tissues and the blood stream, the lymph and the nodes and vessels that transport it including the immune system: defending against disease-causing agents with leukocytes, tonsils, adenoids, thymus and spleen. Integumentary system: skin, hair and nails of mammals. Also scales of fish, reptiles, and birds, and feathers of birds. Muscular system: movement with muscles. Nervous system: collecting, transferring and processing information with brain, spinal cord and nerves. Reproductive system: the sex organs, such as ovaries, fallopian tubes, uterus, vulva, vagina, testes, vas deferens, seminal vesicles, prostate and penis. Respiratory system: the organs used for breathing, the pharynx, larynx, trachea, bronchi, lungs and diaphragm. Skeletal system: structural support and protection with bones, cartilage, ligaments and tendons. 8 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Levels of organisation in animal physiology 3. Tissues Tissues are a group of similar cells of the same origin that carry out a specific function together. Humans have four different types of basic tissues. Connective tissues such as bone tissue are made up of fibrous cells and give shape and structure to organs. Muscle tissue is made up of cells that can contract together and allow animals to move. Epithelial tissues make up the outer layers of organs, such as the skin or the outer layer of the stomach. Nervous tissue is made of specialized cells that transmit information through electrochemical impulses, such as the tissue of nerves, the spinal cord, and the brain. 9 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Muscular, nervous, connective and epithelial tissues Epithelial tissues cover the outside of organs and structures in the body and line the lumens of organs in a single layer or multiple layers of cells. Connective tissues are made up of a matrix consisting of living cells and a non-living substance, called the ground substance. The ground substance is made of an organic substance (usually a protein) and an inorganic substance (usually a mineral or water). There are three types of muscle in animal bodies: smooth, skeletal, and cardiac. They differ by the presence or absence of striations or bands, the number and location of nuclei, whether they are voluntarily or involuntarily controlled, and their location within the body. Nervous tissues are made of cells specialized to receive and transmit electrical impulses from specific areas of the body and to send them to specific locations in the body. The main cell of the nervous system is the neuron. 10 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Levels of organisation in animal physiology 4. Cells The first and most basic level of organization is the cellular level. A cell is the basic unit of life and the smallest unit capable of reproduction. While cells vary greatly in their structure and function based on the type of organism, all cells have a few things in common. Cells are made up of organic molecules, contain nucleic acids (such as DNA and RNA), are filled with fluid called cytoplasm, and have a membrane made of lipids. Cells also contain many structures within the cytoplasm called organelles, which perform various cellular functions. Cells may be prokaryotic (without a nucleus) in bacteria and archaea (single-celled organisms), or eukaryotic (with nucleus-enclosing DNA) in plants, animals, protists, and fungi. In humans, most cells combine to form tissues, but some cells are found independent of solid tissues and have their own functions. A red blood cell found circulating in the bloodstream carrying oxygen throughout the human body is an example of an independent cell. 11 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen What is the difference between eukaryotic and prokaryotic cells? https://mytutorsource.qa/blog/surprising-differences-between-prokaryotes-and-eukaryotes/ Assembly line 12 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The (eukaryotic) cell Eukaryotic cells contain several membrane-bound structures, or organelles, which are specialized cellular subunits that carry out specific cellular functions. The nucleus is surrounded by the nuclear membrane, also called the nuclear envelope, which protects the genetic material stored inside. The nuclear membrane contains nuclear pores, which selectively allow only certain substances to pass through. Another membrane-bound organelle is the endoplasmic reticulum (ER). There are two types of ER: rough and smooth. The rough ER extends from the nuclear membrane, is covered with ribosomes, and is the location of protein synthesis. 13 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The (eukaryotic) cell Meanwhile, the smooth ER is the main site of lipid and steroid synthesis. The golgi apparatus, another organelle, extends from the rough ER and is responsible for modifying and packaging proteins into their final form. Another organelle with an important role is the mitochondria, which is where most of the energy for the cell is produced. There are additional organelles that may be present in various eukaryotic cells. Each eukaryotic cell can specialize and contain a different proportion of each organelle type depending on its function. 14 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Atoms in a nutshell Each atom has at its center a positively charged nucleus, which is surrounded at some distance by a cloud of negatively charged electrons, held in a series of orbitals by electrostatic attraction to the nucleus. The nucleus in turn consists of two kinds of subatomic particles: protons, which are positively charged, and neutrons which are electrically neutral. The number of protons in the atomic nucleus gives the atomic number. An atom of hydrogen has a nucleus composed of a single proton; so, hydrogen with an atomic number of 1, is the lightest element. 15 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Atoms in a nutshell A carbon atom has six protons in its nucleus and an atomic number of 6. Since an atom as a whole is electrically neutral, the number of negatively charged electrons surrounding the nucleus is equal to the positively charged protons that the nucleus contains. The atomic weight of an atom, or the molecular weight of a molecule, is its mass relative to that of a hydrogen atom. This is essentially equal to the number protons plus neurons that the atom or molecule contain, since the electrons are much lighter and contribute almost nothing to the total. 16 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The chemical components of a cell The main elements in cells from the periodic table The smallest particle of an element that still retains its distinctive chemical properties is an atom. However, the characteristics of substances other than pure elements – including the materials from which living cells are made – depend on the way their atoms are linked together in groups to form molecules. Living organisms are made of only a small selection of the 92 naturally occurring elements, four of which— carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), and oxygen (O)—make up 96.5% of an organism’s weight. 17 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The chemical components of a cell The main elements in cells from the periodic table When ordered by their atomic number and arranged in this manner, elements fall into vertical columns that show similar properties. Atoms in the same vertical column must gain (or lose) the same number of electrons to attain a filled outer shell, and they thus behave similarly in bond or ion formation. Thus, for example, Mg and Ca tend to give away the two electrons in their outer shells. C, N, and O occur in the same horizontal row, and tend to complete their second shells by sharing electrons. The four elements highlighted in red constitute 99% of the total number of atoms present in the human body. An additional seven elements, highlighted in blue, together represent about 0.9% of the total. The elements shown in green are required in trace amounts by humans. It remains unclear whether those elements shown in yellow are essential in humans. The chemistry of life, it seems, is therefore predominantly the chemistry of lighter elements. The atomic weights shown here are those of the most common isotope of each element. 18 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Covalent Bond In the case of a covalent bond, an atom shares one or more pairs of electrons with another atom and forms a bond. This sharing of electrons happens because the atoms must satisfy the octet (noble gas configuration) rule while bonding. Such a type of bonding is common between two nonmetals. The covalent bond is the strongest and most common form of chemical bond in living organisms. Together with the ionic bond, they form the two most important chemical bonds. A covalent bond can be divided into a nonpolar covalent bond and a polar covalent bond. In the case of a nonpolar covalent bond, the electrons are equally shared between the two atoms. On the contrary, in polar covalent bonds, the electrons are unequally distributed between the atoms. Examples Two atoms of iodine (I) combine to form iodine (I2) gas. One atom of carbon (C) combines with two atoms of oxygen (O) to form a double covalent bond in carbon dioxide (CO2). Two atoms of hydrogen (H) combine with one atom of oxygen (O) to form a polar molecule of water (H2O). Boron (B) and three hydrogens (H) combine to form the polar borane (BH3). 19 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Noncovalent Bond In general, noncovalent bonding refers to a variety of interactions that are not covalent in nature between molecules or parts of molecules that provide force to hold the molecules or parts of molecules together, usually in a specific orientation or conformation. Noncovalent bonding is the dominant type of bonding in supramolecular chemistry. These noncovalent interactions include: ionic bonds, hydrophobic interactions, hydrogen bonds, Van der Waals forces, i.e. "London dispersion forces", and Dipole-dipole bonds. The terms "noncovalent bonding," "noncovalent interactions," and "noncovalent forces" all refer to these forces as a whole without specifying or distinguishing which specific forces are involved: noncovalent interactions often involve several of these forces working in concert. 20 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Noncovalent Bond Noncovalent bonds are weak by nature and must therefore work together to have a significant effect. In addition, the combined bond strength is greater than the sum of the individual bonds. This is because the free energy of multiple bonds between two molecules is greater than the sum of the enthalpies of each bond due to entropic effects. 21 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Ionic Bond As the name suggests, ionic bonds are a result of the attraction between ions. Ions are formed when an atom loses or gains an electron. These types of bonds are commonly formed between a metal and a nonmetal. Examples 22 Sodium (Na) and chlorine (Cl) combine to form stable crystals of sodium chloride (NaCl), also known as common salt. Magnesium (Mg) and oxygen (O) combine to form magnesium oxide (MgO). Potassium (K) and chlorine (Cl) combine to form potassium chloride (KCl) Calcium (Ca) and fluorine (F) combine to form calcium fluoride (CaF2) Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Hydrogen Bond A hydrogen bond is a chemical bond between a hydrogen atom and an electronegative atom. However, it is not an ionic or covalent bond but is a particular type of dipole-dipole attraction between molecules. First, the hydrogen atom is covalently bonded to a very electronegative atom resulting in a positive charge, which is then attracted towards an electronegative atom resulting in a hydrogen bond. Examples 23 Hydrogen atom from one molecule of water bonds with the oxygen atom from another molecule. This bonding is quite significant in ice. In chloroform (CH3Cl) and ammonia (NH3), hydrogen bonding occurs between the hydrogen of one molecule and carbon/nitrogen of another. Nitrogen bases present in DNA are held together by a hydrogen bond. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Metallic Bond Metallic bond, force that holds atoms together in a metallic substance. Such a solid consists of closely packed atoms. In most cases, the outermost electron shell of each of the metal atoms overlaps with a large number of neighboring atoms. As a consequence, the valence electrons continually move from one atom to another and are not associated with any specific pair of atoms. In short, the valence electrons in metals, unlike those in covalently bonded substances, are nonlocalized, capable of wandering relatively freely throughout the entire crystal. The atoms that the electrons leave behind become positive ions, and the interaction between such ions and valence electrons gives rise to the cohesive or binding force that holds the metallic crystal together. Many of the characteristic properties of metals are attributable to the non-localized or free-electron character of the valence electrons. This condition, for example, is responsible for the high electrical conductivity of metals. The valence electrons are always free to move when an electrical field is applied. The presence of the mobile valence electrons, as well as the nondirectionality of the binding force between metal ions, account for the malleability and ductility of most metals. When a metal is shaped or drawn, it does not fracture, because the ions in its crystal structure are quite easily displaced with respect to one another. Moreover, the nonlocalized valence electrons act as a buffer between the ions of like charge and thereby prevent them from coming together and generating strong repulsive forces that can cause the crystal to fracture. 24 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Van der Waals forces Van der Waals forces are weak intermolecular forces that are dependent on the distance between atoms or molecules. These forces arise from the interactions between uncharged atoms/molecules. For example, Van der Waals forces can arise from the fluctuation in the polarizations of two particles that are close to each other. In the group of forces that fall under the category of ‘weak chemical forces’, Van der Waals forces are the weakest. They are known to rapidly vanish when the distance between the interacting molecules increases. The strengths of Van der Waals forces typically range from 0.4 kJmol-1 to 4 kJmol-1. When the electron density around the nucleus of an atom undergoes a transient shift, it is common for Van der Waals forces arising. For example, when the electron density increases in one side of the nucleus, the resulting transient charge may attract or repel a neighboring atom. The nature of these forces is dependent on the distance between the atoms: 25 When the distance between the atoms is greater than 0.6 nanometers, the forces are extremely weak and cannot be observed. When the distance between the atoms ranges from 0.6 to 0.4 nanometers, the forces are attractive. If the interatomic distance is smaller than 0.4 nanometers, the forces are repulsive in nature. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Types of chemical bonds Hydrophobic interactions Hydrophobic interactions describe the relations between water and hydrophobes (low water-soluble molecules). Hydrophobes are nonpolar molecules and usually have a long chain of carbons that do not interact with water molecules. The mixing of fat and water is a good example of this particular interaction. The common misconception is that water and fat doesn’t mix because the Van der Waals forces that are acting upon both water and fat molecules are too weak. However, this is not the case. The behavior of a fat droplet in water has more to do with the enthalpy and entropy of the reaction than its intermolecular forces. 26 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Organic molecules https://www.compoundchem.com/2014/04/11/a-brief-guide-to-types-of-organic-chemistry-formula/ 27 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen A cell is formed from carbon compounds Carbon-based molecules Carbon is outstanding among all the elements in its ability to form large molecules; silicon is a poor second. Because carbon is small and has four electrons and four vacancies in its outermost shell, a carbon atom can form four covalent bonds with other atoms. Most important, one carbon atom can join to other carbon atoms through highly stable covalent C–C bonds to form chains and rings and hence generate large and complex molecules with no obvious upper limit to their size. The carbon compounds made by cells are called organic molecules. In contrast, all other molecules, including water, are said to be inorganic. Certain combinations of atoms, such as the methyl (–CH3), hydroxyl (–OH), carboxyl (–COOH), carbonyl (-C=O), phosphate (–PO32–), sulfhydryl (–SH), and amino (–NH2) groups, occur repeatedly in the molecules made by cells. Each such chemical group has distinct chemical and physical properties that influence the behavior of the molecule in which the group occurs. 28 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen A cell is formed from carbon compounds The four main families of small organic molecules The small organic molecules of the cell are carbon-based compounds that have molecular weights in the range of 100– 1000 and contain up to 30 or so carbon atoms. Some are used as monomer subunits to construct giant polymeric macromolecules— proteins, nucleic acids, and large polysaccharides. Others act as energy sources and are broken down and transformed into other small molecules in a maze of intracellular metabolic pathways. Many small molecules have more than one role in the cell—for example, acting both as a potential subunit for a macromolecule and as an energy source. 29 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Sugars Sugars provide an energy source for cells Subunites of polysaccharides; The simplest sugars are monosaccharides-> general formula (CH2O)n; Glucose has a central role as an energy source for cells -> it is broken down to smaller molecules in a series of reactions to produce energy relevant to the cell’s metabolism. 30 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Fatty acids Main components of cell membranes Fatty acids have typically 2 distinct regions: - Hydrophilic head (carboxylic acid); - Hydrophobic tail (hydrocarbon). Types of fatty acids can be classifies depending on: - length of tail; - number and position of carbon-carbon double bonds. Types: saturated and unsaturated. 31 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Construction of cell membranes Membranes (both intracellular and plasma) are constituted by PHOSPOLIPIDS. They are mainly composed of fatty acids and glycerol; Each phospholipid molecule has: - Hydrophilic head; - Hydrophobic tail (two fatty chains). They are AMPHIPATHIC; In aqueous environment, the hydrophobic tails of phospholipids pack together to exclude water (tail to tail). Here they have formed a bilayer with the hydrophilic head of each phospholipid facing the water; LIPID BILAYERS are the basis for cell membrane construction. 32 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Amino acids Building blocks of proteins Mainly formed by CARBOXYLIC GROUP + AMINO GROUP linked to a single carbon atom. There are 20 types of amino acids and they differ based on the side chain attached to the carbon; PROTEINS are polymers of amino acids joined head to tail in a long chain that folds into a 3D structure; Amino acids are linked through a covalent bond (peptide bond); The same 20 amino acids occur over and over in all proteins. 33 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Nucleotides Building blocks of DNA and RNA They are made up of a nitrogen-containing ring (BASE) linked to a 5-carbon SUGAR; Sugars can be either RIBOSE (giving ribonucleotide) or DEOXYRIBOSE (giving deoxyribonucleotides) and carry a phosphate group. Bases are classified as PURINES and PYRIMIDINES. 34 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Adenosine triphosphate (ATP) Nucleotides can act as short-term carriers of chemical energy; ATP is a ribonucleotide used to transfer energy in hundreds of different cellular reactions. 35 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Nucleic acids Nucleotides as building blocks of nucleic acids (NA) DNA NAs are polymers where nucleotides are the single units covalently linked; There are 2 main types of nucleic acids, differing in the type of sugar in their sugar-phosphate backbone: - RIBONUCLEIC ACIDS (RNA) containing the bases A, G, C, U; - DEOXYRIBONUCLEIC ACIDS (DNA), containing the bases A, G, C, T. The bases in different nuclei acid molecules can recognize and pair with each other by hydrogen bonding (namely base-pairing). The linear sequence of DNA and RNA encodes the genetic information of the cell. 36 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Macromolecules By weight, macromolecules are the most abundant carbon-containing molecules in a living cell. They are the principal building blocks from which a cell is constructed; The macromolecules in cells are polymers that are constructed by covalently linking small organic molecules (monomer) into long chains. PROTEINS are abundant and versatile in terms of diverse functions; Many proteins serve as ENZYMES, which facilitate bondmaking and bond-breaking in covalent reactions; Other proteins are used to build structural components and molecular motors to produce force and movements. 37 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Macromolecules Covalent bonds in macromolecules allow for rotation of the atoms they join; Polymers chains have great flexibility; Macromolecules can have diverse conformations; Noncovalent bonds might determine the preferential (and potentially final) conformation. 38 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Proteins Shape and structure They are polypeptides (a peptide is a short chain of amino acids); Each protein has a unique sequence of (the 20) amino acids; The polar amino acid side chains tend to lie on the outside of the protein, where they can interact with water; the nonpolar amino acid side chains are buried on the inside forming a tightly packed hydrophobic core of atoms that are hidden from water. In this schematic drawing, the protein contains only about 35 amino acids. In this schematic drawing, the protein contains only about 35 amino acids. 39 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Proteins Folding Primary structure: it is simply the sequence of amino acids in a polypeptide chain; Secondary structure: local folded structures that form within a polypetide due to interactions between atoms of the backbone -> most common type are a-helix and b- plated sheet; Tertiary structure: 3D arrangement of the polypeptide because of R group of the amino acids in the protein Quaternary structure: 3D arrangement of multiple polypeptide chains (namely subunits). 40 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Example: Enzymes 41 Enzymes are proteins that act as biological catalysts by accelerating chemical reactions. The molecules upon which enzymes may act are called substrates, and the enzyme converts the substrates into different molecules known as products; The “lock and key” model was first proposed in 1894. In this model, an enzyme’s active site is a specific shape, and only the substrate will fit into it, like a lock and key. A newer model, the induced-fit model, helps to account for reactions between substrates and active sites that are not exact fits. In this model, the active site changes shape as it interacts with the substrate. Once the substrate fully locks in and in the exact position, the catalysis can begin. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Protein characterization Biochemical methods (examples) Identification Electrophoresis: 1D/ 2D Chromatography (FPLC/TLC): size, affinity, charge, polarity Sorting protein variants Yeast display/ Phage display FACS Protein-protein/ protein-ligand interactions Surface Plasmon Resonance (SPR) Structure Circular Dichroism X-ray diffraction 42 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The plasma membrane The cell (plasma) membrane encloses the cells Figure 10-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 43 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The plasma membrane Encloses the cell; Defines boundaries; Maintains the difference between the cytosol and the extracellular environments. P.S.in eucaryotic cells, the membranes maintain the differences between the organelles they enclose and the cytosol. Other important functions: - Defines ion gradients; - Contains proteins that act as sensors of external signals. 44 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The plasma membrane structure Thin film of lipid and protein molecules, held together mainly by noncovalent interactions; Main features: dynamicity, fluidity, ensures molecules’ mobility. The lipid molecules are arranged as a continuous double layer about 5 nm thick; Barrier to the passage of most water-soluble molecules. Electron micrograph of the cell membrane. https://derangedphysiology.com/main/cicm-primary-exam/required-reading/cellular-physiology/Chapter%20104/composition-and-properties-cell-membranes 45 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The lipid bilayer Lipid molecules constitute about 50% of the mass of most animal cell membranes, nearly all the remainder being protein. There are approximately 5 × 106 lipid molecules in a 1 μm × 1 μm area of lipid bilayer, or about 109 lipid molecules in the plasma membrane of a small animal cell. All of the lipid molecules in cell membranes are amphiphilic—that is, they have a hydrophilic (“waterloving”) or polar end and a hydrophobic (“water-fearing”) or nonpolar end. The most abundant membrane lipids are the phospholipids. These have a polar head group containing a phosphate group and two hydrophobic hydrocarbon tails. 46 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The lipid bilayer Lipid molecules spontaneously aggregate to bury their hydrophobic tails in the interior and expose their hydrophilic heads to the water. Depending on their shape, they can do this in 2 ways: - Form spherical micelles (tails inwards); - Form bimolecular sheets – bilayers (tails ‘sandwich). ‘Self-healing’ properties (when a small tear is formed). Depending on composition, the structure can be asymettric forming microdomains (lipid rafts). 47 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The lipid bilayer composition Highly asymmetric! The different lipid composition strongly affects the bilayer fluidity. 48 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Membrane proteins Diverse association at the lipid bilayer Most membrane proteins are thought to extend across the bilayer as (1) a single α helix, (2) as multiple α helices, or (3) as a rolled-up β sheet (a β barrel). Some of these “single-pass” and “multipass” proteins have a covalently attached fatty acid chain inserted in the cytosolic lipid monolayer (1). Other membrane proteins are exposed at only one side of the membrane. (4) Some of these are anchored to the cytosolic surface by an amphiphilic α helix that partitions into the cytosolic monolayer of the lipid bilayer through the hydrophobic face of the helix. (5) Others are attached to the bilayer solely by a covalently bound lipid chain (7, 8) Finally, membrane associated proteins are attached to the membrane only by noncovalent interactions with other membrane proteins. 49 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Example: Antibodies It is a large, Y-shaped protein with two identical antigenbinding site, one at the tip of each arm of the Y; Because of their two antigen-binding sites, they are described as bivalent; Each tip of the "Y" of an antibody contains a paratope (analogous to a lock) that is specific for one particular epitope (analogous to a key) on an antigen, allowing these two structures to bind together with precision. Using this binding mechanism, an antibody can tag a microbe or an infected cell for attack by other parts of the immune system, or can neutralize it directly (for example, by blocking a part of a virus that is essential for its invasion). antigen 50 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Q&A 51 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen