DE3028569C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine biophysikochemische Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Fühler mit einer solchen Anordnung.The invention relates to a biophysicochemical arrangement according to the preamble of claim 1, a method their manufacture and sensors with such an arrangement.
Eine biophysikochemische Anordnung der eingangs angespro chenen Art ist in der Zeitschrift Experientia, Band 28 (1972), Seiten 256 und 257 beschrieben. Sie reagiert auf das Zu geben von Substratmolekülen mit einer Änderung der Leit fähigkeit, welche unter Verwendung zu beiden Seiten der Membran in das flüssige Milieu eintauchenden Elektroden und eines üblichen Leitfähigkeitsmessers gemessen wird. Die Erhöhung der Leitfähigkeit nach Zugabe von Substrat molekülen und der Wiederabbau der erhöhten Leitfähigkeit erfolgt in Zeiträumen von größenordnungsmäßig einigen Mi nuten.A biophysicochemical arrangement of the above chenen Art is in the journal Experientia, Volume 28 (1972), Pages 256 and 257 described. It reacts to the zu give substrate molecules with a change in the lead ability which is used on both sides of the Electrodes immersed in the liquid medium and a conventional conductivity meter is measured. The increase in conductivity after adding substrate molecules and the degradation of increased conductivity takes place in periods of the order of a few Wed. grooves.
Es wurde nun herausgefunden, daß man eine meßbare Reaktion der Leitfähigkeit der Membran auf die durch Enzymmoleküle katalysierte Reaktion auch dann noch erhält, wenn man gemäß Anspruch 1 die Anzahl der Enzymmoleküle auf dem aktiven Be reich der Membran ganz drastisch vermindert, soweit dies nur experimentell möglich ist (Konzentrationen von 10-4 - 10-3 Enzymmolekülen pro Molekül des Membranmateriales las sen sich ohne experimentelle Schwierigkeiten einstellen), und auch die Konzentration der im flüssigen Milieu vorhan denen Substratmoleküle drastisch herabsetzt, was ohne Schwierigkeiten möglich ist. Man erhält dann sehr rasche, impulsförmige Änderungen der Leitfähigkeit der Membran, welche direkt der katalytischen Zersetzung eines Substrat moleküles bzw. eines Clusters (haufenförmige Zusammenballung) von Substratmolekülen zugeordnet werden kann.It has now been found that a measurable reaction of the conductivity of the membrane to the reaction catalyzed by enzyme molecules is obtained even if, according to claim 1, the number of enzyme molecules on the active area of the membrane is drastically reduced, insofar as this is only possible experimentally is (concentrations of 10 -4 - 10 -3 enzyme molecules per molecule of the membrane material can be adjusted without experimental difficulties), and the concentration of the substrate molecules present in the liquid medium drastically decreases, which is possible without difficulty. Very rapid, pulsed changes in the conductivity of the membrane are then obtained, which can be directly assigned to the catalytic decomposition of a substrate molecule or a cluster (cluster-like agglomeration) of substrate molecules.
Eine erfindungsgemäße biophysikochemische Anordnung ge stattet nicht nur eine Untersuchung der Dynamik von durch oberflächengebundene Enzymmoleküle katalysierten Reaktionen, man kann derartige biophysikochemische Anordnungen auch di rekt als preiswertes, sehr einfach und rasch in großen Stück zahlen herzustellendes Modell für Nervenmembranen verwenden. Bei der erfindungsgemäßen biophysikochemischen Anordnung werden nämlich bei Verwendung der auch in den lebenden Ner venzellen angefundenen Enzyme, Substrate und Membranmateria lien in vergleichbarem Milieu genau die gleichen Leitfähig keitskanäle wie bei synaptischen oder axonalen Membranen in vivo gefunden. Dies bedeutet bei der Prüfung der Wirkung von pharmakologischen Wirkstoffen auf Nerven eine erhebli che Vereinfachung der in großer Anzahl durchzuführenden Versuche und erlaubt auch eine Untersuchung der Dynamik der Wechselwirkung zwischen Wirkstoff und Nervenmembran.A biophysicochemical arrangement according to the invention does not just examine the dynamics of surface-bound enzyme-catalyzed reactions, one can also such biophysicochemical arrangements di rect as an inexpensive, very easy and quick in large pieces use the model to be produced for nerve membranes. In the biophysicochemical arrangement according to the invention namely when using the also in the living ner venzell found enzymes, substrates and membrane materials lien exactly the same conductivity in a comparable environment channels like synaptic or axonal membranes found in vivo. This means when testing the effect of pharmacological agents on nerves a hehebli che simplification of those to be carried out in large numbers Try and also allow an investigation of the dynamics the interaction between the active ingredient and the nerve membrane.
Vorteilhafte Einzelheiten im Aufbau einer erfindungsgemäßen biophysikochemischen Anordnung sind in Unteransprüchen an gegeben.Advantageous details in the construction of an inventive biophysicochemical arrangement are in subclaims given.
Dabei wird insbesondere mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 eine noch näherkommende Nachbildung einer natürlichen Nervenmembran erreicht. Eine biophysikochemi sche Anordnung gemäß Anspruch 9 läßt sich durch Zugabe von Substratmolekülen genauso elektrisch erregen wie dies bei Nervenmembranen der Fall ist.In particular, with the further development of the invention according to claim 9 an even closer replica of a reached the natural nerve membrane. A biophysicochemistry cal arrangement according to claim 9 can be by adding Excite substrate molecules just as electrically as this Nerve membranes is the case.
Da eine biophysikochemische Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung Elemtarereignisse, nämlich die durch ein Enzym molekül katalytisch hervorgerufene Reaktion eines Substrat moleküles oder eines Substratmolekülclusters zu messen ge stattet, hat man in ihr allgemein einen sehr empfindlichen Fühler, welcher sich auch auf verschiedene Weise zur Rea lisierung klassischer Fühler verwenden läßt, z.B. in einer Versuchsanordnung zur Untersuchung von Reaktionsabläufen an Enzymen (vergl. Anspruch 12), in einem pH-Messer (vergl. Anspruch 14), in einem Temperaturmesser (vergl. Anspruch 16), in einem Meßgerät für die elektrische Feldstärke (vergl. Anspruch 17) oder in einem Strömungsmesser (vergl. Anspruch 19).Because a biophysicochemical arrangement according to the present Invention elementary events, namely those caused by an enzyme Molecularly catalyzed reaction of a substrate to measure molecular or a substrate molecule cluster ge , you generally have a very sensitive one in it Feeler, which also reacts in different ways lization of classic sensors, e.g. in a Experimental set-up for the investigation of reaction processes on enzymes (see claim 12), in a pH meter (see Claim 14), in a temperature meter (see. Claim 16), in a measuring device for the electric field strength (see claim 17) or in a flow meter (see. Claim 19).
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 wird erreicht, daß eine direkte Kreuzreaktion zwischen dem zu untersuchenden Enzym/Substratsystem und dem Enzym/Substrat system der biophysikochemischen Anordnung nicht möglich ist.With the development of the invention according to claim 13 achieved a direct cross reaction between the to investigating enzyme / substrate system and the enzyme / substrate system of biophysicochemical arrangement is not possible.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 15 wird erreicht, daß zusätzlich in der Flüssigkeit deren pH-Wert bestimmt werden soll, enthaltene Stoffe nicht auf das Enzym/ Substratsystem der biophysikochemischen Anordnung einwirken kann.With the development of the invention according to claim 15 achieved that in addition the pH of the liquid substances to be determined is not based on the enzyme / Act substrate system of the biophysicochemical arrangement can.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen 18 und 24 wird die Empfindlichkeit des betreffenden Fühlers noch einmal verbessert.With the development of the invention according to claims 18 and 24 becomes the sensitivity of the sensor in question improved again.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 20 und 21 ist im Hinblick auf eine sparsame Verwendung von Substratmolekülen von Vorteil und fördert auch die Empfindlichkeit des Strö mungsmessers, da dessen Ausgangssignal von dem Unterschied zwischen der Diffusionsgeschwindigkeit der Substratmoleküle senkrecht zur Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwin digkeit selbst abhängt.The development of the invention according to claims 20 and 21 is with regard to the economical use of substrate molecules advantageous and also promotes the sensitivity of the flow mungsmessers, because its output signal of the difference between the rate of diffusion of the substrate molecules perpendicular to the direction of flow and the flow rate depends on yourself.
Ein Strömungsmesser gemäß Anspruch 22 eignet sich besonders gut zur Erfassung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ihm ist die Zufuhr von Substratmolekülen und ggf. Ionen in den zu messenden Flüssigkeitsstrom absolut gleichblei bend. A flow meter according to claim 22 is particularly suitable good for recording small flow velocities. At it is the supply of substrate molecules and possibly ions absolutely constant in the liquid flow to be measured bend.
Ein Strömungsmesser gemäß Anspruch 23 eignet sich dagegen besonders gut zur Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten.A flow meter according to claim 23, however, is suitable particularly good for measuring high flow velocities.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigtThe invention will now be described with reference to embodiments play with reference to the accompanying drawing explained. In this shows
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine biophysiko chemische Anordnung, welche zur Messung durch oberflächengebundene Enzyme katalysierter Reak tionen und zur pH-Messung geeignet ist, in einem Zwischenstadium ihrer Herstellung; 1 is a vertical section through a chemical biophysiko arrangement which functions for measurement by surface-bound enzyme catalyzed reac and is suitable for measuring the pH, at an intermediate stage of their production.
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch den aktiven Be reich der Membran und eines benachbarten Abschnit tes einer Membranträgerfolie in stark vergrößertem Maßstabe; Figure 2 is a vertical section through the active loading area of the membrane and an adjacent section of a membrane support film in a greatly enlarged scale.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Acetylcholin esterasemoleküles; Fig. 3 is a schematic representation of a esterasemoleküles acetylcholine;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Strömungsmesser, welcher mit einer biophysikochemischen Anordnung arbeitet; Fig. 4 is a longitudinal section through a flow meter, which operates with a biophysikochemischen assembly;
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Versuchsanordnung zur Untersuchung durch oberflächengebundene Enzyme katalysierter Substratreaktionen; Fig. 5 is a sectional catalyzed by an experimental arrangement for investigation by surface-bound enzyme substrate reactions;
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Leitfähigkeit der Membran einer biophysikochemischen Anordnung nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit bei sehr ge ringer Konzentration der Enzymmoleküle auf dem aktiven Bereich der Membran und sehr geringer Kon zentration der Substratmoleküle im flüssigen Milieu; und . Fig. 6 is a graph of the conductivity of the membrane a biophysikochemischen assembly of Figure 1 in function of time at very ge ringer concentration of the enzyme molecules on the active area of the membrane and very little of the substrate molecules Kon concentration in the liquid medium; and
Fig. 7: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, wobei jedoch die Konzentration der Enzymmoleküle und der Sub stratmoleküle etwas größer gewählt ist. Fig. 7: a view similar to Fig. 6, but with the concentration of the enzyme molecules and the substrate molecules chosen to be somewhat larger.
Fig. 1 zeigt einen schalenförmigen Behälter 10, in dessen Boden ein über die gesamte Breite verlaufender Schlitz 12 vorgesehen ist. Im Schlitz 12 ist eine Trennwand 14 strö mungsmitteldicht verschiebbar, welche mit ihren seitlichen Rändern ebenfalls strömungsmitteldicht verschiebbar an den Seitenwänden des Behälters 12 anliegt. Zur zusätzlichen Ab dichtung kann an den Dichtstellen Silikonfett vorgesehen sein. Auf diese Weise sind durch den Behälter 10 und die Trennwand 14 zwei Abteile 16 und 18 vorgegeben, welche je weils mit einer wäßrigen Salzlösung gefüllt sind, z. B. mit einer wäßrigen, 1-molaren (Ionenstärke) K⁺Cl-- oder Na⁺Cl⁻- Lösung, welche auf einen pH-Wert zwischen 7 und 7,5 gepuf fert ist und auf eine Temperatur von 292 - 296° K eingestellt ist. Fig. 1 shows a bowl-shaped container 10 , in the bottom of which a slot 12 is provided which extends over the entire width. In the slot 12 , a partition 14 is flow-tightly displaceable, which also rests with its lateral edges in a fluid-tight manner on the side walls of the container 12 . For additional sealing, silicone grease can be provided at the sealing points. In this way, two compartments 16 and 18 are predetermined by the container 10 and the partition 14 , which are each filled with an aqueous salt solution, for. B. with an aqueous, 1-molar (ionic strength) K⁺Cl - - or Na⁺Cl⁻ solution, which is manufactured to a pH between 7 and 7.5 and at a temperature of 292 - 296 ° K is set.
Die Trennwand 14 ist in ihrem oberen Abschnitt mit einer auf einer Seite schräg geneigte Wände aufweisenden Öffnung 20 versehen, welche durch eine dünne Folie 22 aus Tetra fluoräthylen überdeckt ist. Die Dicke der Folie 22 beträgt 25 µ, und in ihrer Mitte ist eine Arbeitsöffnung 24 mit einem Durchmesser von etwa 100 µ angeordnet, z. B. mit einer dünnen Nadel eingestochen.The partition 14 is provided in its upper portion with an inclined on one side walls 20 opening, which is covered by a thin film 22 made of tetrafluoroethylene. The thickness of the film 22 is 25 .mu.m, and in the middle is a working opening 24 with a diameter of about 100 .mu.m, z. B. pierced with a thin needle.
Auf die Oberfläche der in den Abteilen 16 und 18 befindli chen wäßrigen Lösung wird jeweils eine monomolekulare Schicht 26 bzw. 28 eines Lipides, vorzugsweise aus Soja bohnen hergestelltes L-α-Phophatidylcholin aufgespreitet. Die Lipidschicht 26 ist ferner mit einer weiteren Schicht überschichtet, welche Enzymmoleküle, beim hier betrachte ten Ausführungsbeispiel Acetylcholinesterase, enthält und durch Spreiten eines Lösungstropfens 30 erhalten wird. A monomolecular layer 26 or 28 of a lipid, preferably L- α- phophatidylcholine made from soybeans, is spread onto the surface of the aqueous solution in compartments 16 and 18 . The lipid layer 26 is also covered with a further layer which contains enzyme molecules, in the exemplary embodiment considered here acetylcholinesterase, and is obtained by spreading a drop of solution 30 .
Senkt man die Trennwand 14 sehr langsam mit einer Geschwin digkeit von etwa 0,5 mm/min ab, so wird von der Vorderseite und der Rückseite der Folie 22 die benachbarte Lipidschicht 26 bzw. 28 mitgenommen, und man erhält im Bereich der Ar beitsöffnung 24 eine molekulare Doppelschicht, welche eine Membran 32 bildet.If you lower the partition 14 very slowly with a speed of about 0.5 mm / min, the adjacent lipid layer 26 or 28 is taken along from the front and the back of the film 22 , and one obtains work opening 24 in the area of the work a molecular double layer which forms a membrane 32 .
Weitere Einzelheiten bezüglich der an sich bekannten Methode zur Membranherstellung sind in der Zeitschrift Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Band 69 (1972), Seiten 3561 - 3566 beschriebenFurther details regarding the method known per se for membrane production are in the magazine Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Volume 69 (1972), pages 3561-3566
Der Lösungstropfen 30 enthält insgesamt 10 g (entspricht 10-12mol) einer geschwänzten nativen Acetylcholinesterase, welche aus dem elektrischen Gewebe des Aales Electrophorus Electricus isoliert ist und durch Affinitätschromatographie in hochreinen Zustand gebracht ist. Dieses Reinigungsver fahren ist in der Zeitschrift Biochemical and Biophysical Research Communications, Band 79 (1977), Seiten 640 - 647 näher beschrieben. Bei der Reinigung wird darauf geachtet, daß nur die Enzymfraktionen mit den Sedimentationskoeffi zienten S von 14 und 18 ins gereinigte Produkt gelangen.The solution drop 30 contains a total of 10 g (corresponds to 10 -12 mol) of a tailed native acetylcholinesterase, which is isolated from the electrical tissue of the eel Electrophorus Electricus and is brought into a highly pure state by affinity chromatography. This cleaning process is described in more detail in the journal Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 79 (1977), pages 640-647. When cleaning, care is taken that only the enzyme fractions with the sedimentation coefficients S of 14 and 18 get into the purified product.
Fig. 2 zeigt schematisch einen in keiner Weise maßstäbli chen Schnitt durch die Folie 22 im Bereich der Arbeitsöff nung 24. Man erkennt die beiden aus Lipidmolekülen 34 auf gebauten Lipidschichten 26 und 28, welche sich im Bereich der Arbeitsöffnung zu der Membran 32 vereinen. In die Lipid schicht 26 sind zusätzlich die Acetylcholinesterase-Enzym moleküle 36 eingebaut. Auf etwa 104 Lipidmoleküle 34 kommt im Mittel ein Enzymmolekül 36. Fig. 2 shows schematically a in no way scaled section through the film 22 in the region of the opening 24 . One can see the two lipid molecules 26 and 28 built up from lipid molecules 34 , which combine to form the membrane 32 in the region of the working opening. In the lipid layer 26 , the acetylcholinesterase enzyme molecules 36 are also incorporated. On average, there is one enzyme molecule 36 for every 10 4 lipid molecules 34 .
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines Acetylcholin esterasemoleküles, wie er aus der oben genannten Veröffent lichung in Biochemical and Biophysical Research Communications bekannt ist. Ein "*" bzw. ein "**" kennzeichnen unterschied liche Stellen des Enzymmoleküles, an denen dieses durch Protolyse gespalten werden kann. Der lange Schwanz 38 des Enzymmoleküls 36 kann Verbindungen mit Lipidmolekülen ein gehen; mit Kreisen sind jeweils katalytische Untereinheiten 40 gekennzeichnet, welche in Form dreier Tetramere vorlie gen. Fig. 3 shows schematically the structure of an acetylcholine esterase molecule, as is known from the above-mentioned publication in Biochemical and Biophysical Research Communications. A "*" or a "**" indicate different locations of the enzyme molecule at which it can be cleaved by protolysis. The long tail 38 of the enzyme molecule 36 can form compounds with lipid molecules; With circles, catalytic subunits 40 are identified, which are in the form of three tetramers.
Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen biophysikochemischen An ordnung sind jeweils in eines der beiden Abteile 16, 18 eintauchende Kallomel-Elektroden 42, 44 vorgesehen, welche mit den Klemmen einer Betriebsschaltung 46 verbunden sind. Diese enthält einen mit einer Gleichspannungsquelle U B ver bundenen Vorwiderstand 48 und einen Gleichstromverstärker 50. Der Ausgang des Gleichstromverstärkers 50 ist mit dem Y-Eingang eines Y-t-Schreibers 52 und mit dem Eingang eines Frequenzzählers 54 verbunden. Das Ausgangssignal des Ver stärkers 50 ist somit der Gesamtimpedanz des durch die Elektroden, die wäßrige Lösung und die Membran gebilde ten Strompfades zugeordnet. Diese hängt praktisch nur von der Impedanz der hochohmigen Membran 32 ab. Damit gibt das Ausgangssignal des Verstärkers 50 direkt die Leitfähigkeit der Membran 32 wieder.In the biophysicochemical arrangement shown in FIG. 1, callomel electrodes 42 , 44 immersed in one of the two compartments 16 , 18 are provided, which are connected to the terminals of an operating circuit 46 . This contains a series resistor 48 connected to a direct voltage source U B and a direct current amplifier 50 . The output of the DC amplifier 50 is connected to the Y input of a Y t recorder 52 and to the input of a frequency counter 54 . The output signal of the amplifier 50 is thus assigned to the total impedance of the current path formed by the electrodes, the aqueous solution and the membrane. This practically depends only on the impedance of the high-resistance membrane 32 . The output signal of the amplifier 50 thus directly reflects the conductivity of the membrane 32 .
Bringt man nun zusätzlich in das Abteil 16 eine geringe Menge ungerührten Acetylcholins ein, z. B. in Form einer 5 × 10-6-olaren wäßrigen Lösung von Acetylcholin⁺ Cl⁻, so erhält man auf dem Schreiber 52 diskrete Leitfähigkeits impulse mit einer Halbwertsbreite von 5 × 10-2 sec und einer auf die K⁺Cl⁻-Konzentration des wäßrigen Milieus normierte Höhe von etwa 2 × 10-10 (Ohm × M K⁺Cl⁻ )-1, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Bei noch genauerer Untersuchung der einzelnen Leitfähigkeitsimpulse mit höherer zeitli cher Auflösung kann man feststellen, daß diese ihrer seits eine rasche Aufeinanderfolge von sehr raschen Im pulsen mit einer Halbwertsbreite von einigen 10-4 sec dar stellen. Letztere werden vermutlich jeweils dann erhalten, wenn ein Acetylcholinmolekül in den Einflußbereich eines Acetylcholinesterasemoleküls gelangt und dann katalytisch hydrolisiert und hierbei ein Proton freisetzt. Die Impuls folge mit einer Gesamtdauer von 5 × 10-2 sec entspricht dagegen vermutlich der sukzessiven Hydrolyse einzelner zu einem Cluster gehöriger Acetylcholinmoleküle, wobei bei gegebenem Lösungsmittel die Anzahl der sich zu einem Cluster zusammenfindender Moleküle im wesentlichen konstant ist.If you now also bring a small amount of non-stirred acetylcholine in compartment 16 , e.g. B. in the form of a 5 × 10 -6 -olar aqueous solution of acetylcholine⁺ Cl⁻, so you get 52 discrete conductivity impulses with a half width of 5 × 10 -2 sec and one on the K⁺Cl⁻ concentration on the recorder of the aqueous environment normalized height of about 2 × 10 -10 (Ohm × MK⁺Cl⁻) -1 , as shown in Fig. 6. Upon closer examination of the individual conductivity pulses with a higher temporal resolution, it can be seen that they represent a rapid succession of very rapid pulses with a half-width of a few 10 -4 sec. The latter are presumably obtained in each case when an acetylcholine molecule comes under the influence of an acetylcholinesterase molecule and is then catalytically hydrolyzed and thereby releases a proton. The pulse sequence with a total duration of 5 × 10 -2 sec, on the other hand, probably corresponds to the successive hydrolysis of individual acetylcholine molecules belonging to a cluster, the number of molecules coming together in a cluster being essentially constant for a given solvent.
Sowohl die Leitfähigkeitsimpulse mit einer Halbwertsbreite von etwa 5 × 10-2 sec als auch die bei größerer zeitlicher Auflösung sichtbaren Leitfähigkeitsimpulse mit einer Halb wertsbreite von etwa 10-4 sec, wurden bisher nicht erhal ten, da mit großen Konzentrationen an Enzymmolekülen und Substratmolekülen gearbeitet wurde.Neither the conductivity pulses with a half-value width of about 5 × 10 -2 sec nor the conductivity pulses with a half-value width of about 10 -4 sec visible at higher temporal resolution have been received so far, since large concentrations of enzyme molecules and substrate molecules were used .
Um einzelne Leitfähigkeitsimpulse zu erhalten, muß die Häufigkeit, mit der ein Auftreffen eines Substratmoleküles oder eines Substratmolekülclusters auf ein Enzymmolekül erhalten wird, so klein gehalten werden, daß sich die ein zelnen Leitfähigkeitsimpulse in der weitaus überwiegenden Anzahl der Fälle zeitlich nicht überlappen. Diese Häufig keit wächst offensichtlich mit der Konzentration der ober flächengebundenen Enzymmoleküle, mit der Konzentration der im wässrigen Milieu verteilten Substratmoleküle, mit der Größe des aktiven Membranbereiches und mit der Beweglich keit der Substratmoleküle im jeweiligen flüssigen Milieu. In erster Linie über die verschiedenen Konzentrationen, aber auch über die Wahl der Temperatur der im Abteil 16 befindlichen Flüssigkeit sowie über die Größe des aktiven Membranbereiches läßt sich im Einzelfalle durch einfache Versuche sicherstellen, daß an der Membran diskrete ein zelne Leitfähigkeitsimpulse erhalten werden, andererseits der mittlere zeitliche Abstand der einzelnen Leitfähigkeits impulse nicht unnötig groß wird. Bei der Erhöhung der Im pulsfrequenz durch Erhöhung der Konzentration an Substrat molekülen und/oder Enzymmolekülen kann man ohne weiteres so weit gehen, bis in seltenen Ausnahmefällen ein Impuls schon in die abfallende Flanke eines vorhergehenden Im pulses fällt. Ein entsprechender Impulszug it in Fig. 7 wiedergegeben, in der die Einheiten auf den Koordinaten achsen genauso groß sind wie bei der Darstellung von Figur 6.In order to obtain individual conductivity pulses, the frequency with which an impact of a substrate molecule or a substrate molecule cluster is obtained on an enzyme molecule must be kept so small that the individual conductivity pulses do not overlap in the vast majority of cases. This frequency obviously increases with the concentration of the surface-bound enzyme molecules, with the concentration of the substrate molecules distributed in the aqueous environment, with the size of the active membrane area and with the mobility of the substrate molecules in the respective liquid environment. Primarily via the various concentrations, but also via the choice of the temperature of the liquid in the compartment 16 and the size of the active membrane area, it can be ensured in individual cases by simple tests that discrete individual conductivity pulses are obtained on the membrane, on the other hand the mean time interval between the individual conductivity pulses does not become unnecessarily large. When increasing the pulse frequency by increasing the concentration of substrate molecules and / or enzyme molecules, one can go so far until, in rare exceptional cases, a pulse already falls on the falling edge of a previous pulse. A corresponding pulse train is shown in FIG. 7, in which the units on the coordinate axes are the same size as in the representation of FIG. 6.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung läßt sich direkt auch zur Messung des pH-Wertes der im Abteil 16 befindlichen Flüssigkeit verwenden, da die Geschwindigkeit der Hydrolyse von Acetylcholin in Gegenwart von Acetylcholinesterase vom jeweils angefundenen pH-Wert abhängt. Die von der Be triebsschaltung 46 abgegebene Frequenz bzw. die Anzeige des Frequenzzählers 54 ist so direkt ein Maß für den pH Wert und braucht allenfalls für größere Abweichungen des gemessenen pH-Wertes vom pH-Bereich 7 - 7,5 unter zusätz licher Verwendung von durch einen Versuch einmal leicht zu erstellenden Korrekturtafeln modifiziert zu werden.The arrangement shown in FIG. 1 can also be used directly for measuring the pH of the liquid in compartment 16 , since the rate of hydrolysis of acetylcholine in the presence of acetylcholinesterase depends on the pH found in each case. The frequency output by the operating circuit 46 or the display of the frequency counter 54 is thus a direct measure of the pH value and, if need be, for larger deviations of the measured pH value from the pH range 7-7.5 with additional use of an attempt to modify easy-to-create correction tables.
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Strömungs messer, welcher einen in einen Wasserstrom schaltbaren Rohrkörper 56 aufweist. Dieser ist in seiner Wand mit einer Öffnung 58 versehen, welche von einer Folie 60 überdeckt ist. Diese weist wiederum eine von einer Membran überdeckte Arbeitsöffnung auf, wie in Fig. 2 gezeigt. Fig. 4 shows a longitudinal section through a flow meter, which has a switchable into a water flow tubular body 56 . This is provided in its wall with an opening 58 which is covered by a film 60 . This in turn has a working opening covered by a membrane, as shown in FIG. 2.
Auf die Rohraußenseite ist ein Behälter 62 aufgesetzt. In ihm befindet sich eine wäßrige Salzlösung, z. B. eine 1-molare KCl-Lösung, in welche eine Kallomel-Elektrode 64 eintaucht. Eine zweite Kallomel-Elektrode 66 ist von dem Wasserstrom im Inneren des Rohrkörpers 56 umspült. Die Elektroden sind wie in Fig. 1 mit einer Betriebsschal tung 46 verbunden, deren Ausgang wieder mit dem Eingang eines Frequenzzählers 54 verbunden ist. Dieser hat eine Periode von größenordnungsmäßig einer Sekunde, so daß für jede Ablesung eine große Anzahl von Leitfähigkeitsimpulsen erfaßt wird.A container 62 is placed on the outside of the tube. In it there is an aqueous salt solution, e.g. B. a 1 molar KCl solution, in which a Kallomel electrode 64 is immersed. A second callomel electrode 66 is surrounded by the water flow in the interior of the tubular body 56 . As in FIG. 1, the electrodes are connected to an operating circuit 46 , the output of which is again connected to the input of a frequency counter 54 . This has a period of the order of one second, so that a large number of conductivity pulses are recorded for each reading.
Stromauf der Öffnung 58 ist in der Wand des Rohrkörpers 56 eine weitere Öffnung 68 vorgesehen, in welche ein Körper 70 aus offenporigem Material eingesetzt ist. Die Öffnung 68 steht in Verbindung mit dem Inneren eines auf die Außen seite des Rohrkörpers 56 dicht aufgesetzten Vorratsbehäl ters 72, welcher eine wäßrige Lösung von Acetylcholin enthält, und ggf. zusätzlich von KCl, falls der zu messen de Wasserstrom elektrisch sehr schlecht leitet.Upstream of the opening 58 , a further opening 68 is provided in the wall of the tubular body 56 , into which a body 70 made of open-pore material is inserted. The opening 68 is in communication with the inside of a tightly placed on the outside of the tubular body 56 Vorratsbehäl age 72 , which contains an aqueous solution of acetylcholine, and possibly additionally of KCl, if the water flow to be measured de conducts electricity very poorly.
Das Innere des Vorratsbehälters 72 ist über ein Druckregel ventil 74 mit einer Vorratsflasche 76 für unter Druck ste hendes Inertgas verbunden, so daß pro Zeiteinheit eine vor gegebene Menge Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 72 in den Flüssigkeitsstrom abgegeben wird, und zwar in dessen äußerste Randschicht.The inside of the storage container 72 is connected via a pressure control valve 74 to a storage bottle 76 for pressurized inert gas, so that a given amount of liquid is dispensed from the storage container 72 into the liquid flow per unit of time, namely in its outermost surface layer.
Der oben beschriebene Strömungsmesser arbeitet folgender maßen:The flow meter described above works as follows measure:
Beim Vorbeiströmen des im Rohrkörper 56 laminar fließenden Wassers nimmt dessen Randschicht aus dem Körper 70 Acetyl cholincluster mit. Diese können nun im Wasserstrom in zur Strömungsrichtung senkrechter Richtung, also von der Wand des Rohrkörpers zur Rohrkörperachse diffundieren. Je lang samer die Strömung ist, um so mehr Acetylcholincluster sind von der Rohrkörperwand wegdiffundiert, wenn die Rand schicht des Wasserstromes die Folie 60 erreicht, um so weniger Leitfähigkeitsimpulse werden vom Frequenzzähler 54 registriert. Der Stand des Frequenzzählers 54 ist somit direkt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Was sers.When the water flowing in the tubular body 56 flows in a laminar manner, its edge layer takes 70 acetyl choline clusters out of the body. These can now diffuse in the water flow in a direction perpendicular to the direction of flow, that is to say from the wall of the tubular body to the tubular body axis. The slower the flow, the more acetylcholine clusters are diffused away from the tube body wall when the edge layer of the water flow reaches the film 60 , the less conductivity pulses are registered by the frequency counter 54 . The level of the frequency counter 54 is thus a direct measure of the flow rate of the water sers.
Für verglichen mit der Diffusionsgeschwindigkeit der Acetyl cholincluster sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten kann man gerade umgekehrt die Einrichtung zum Einspeisen von Acetylcholinclustern in den Wasserstrom so ausbilden, daß die Abgaberate der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zugeordnet ist. Dies kann ähnlich wie bei einem Kraft fahrzeugvergaser unter Verwendung einer Venturidüse er folgen, welche eine in der Düsenwand ausgebildete Zuführ öffnung für die Acetylcholin-Lösung aufweist, die mit dem Vorratsbehälter 72 in Verbindung steht. Bei einem solchen Strömungsmesser wächst dann ebenfalls die Anzahl der pro Zeiteinheit bei der Folie 60 ankommenden Acetylcholin cluster mit der Strömungsgeschwindigkeit.For very high flow rates compared to the diffusion rate of the acetyl choline clusters, the device for feeding acetyl choline clusters into the water flow can be designed so that the discharge rate is assigned to the flow rate of the water. This can be similar to a motor vehicle carburetor using a Venturi nozzle, which has a feed opening for the acetylcholine solution formed in the nozzle wall, which is connected to the storage container 72 . In the case of such a flow meter, the number of acetylcholine clusters arriving at the film 60 per unit of time also increases with the flow rate.
Hat man dagegen verglichen mit der Diffusionsgeschwindig keit der Acetylcholincluster sehr kleine Geschwindigkeiten des Wasserstromes zu messen, so kann man den Strömungsmesser nach Fig. 4 um die dort gestrichelt eingezeichneten Bau teile erweitern, welche eine zweite biophysikochemische Anordnung darstellen und jeweils einem schon oben beschrie benen Bauteil entsprechen. Aus diesem Grunde sind diese Bauteile mit entsprechenden, jedoch zusätzlich mit einem Beistrich versehenen Bezugszeichen versehen.If, on the other hand, you have to measure very low velocities of the water flow compared to the diffusion speed of the acetylcholine cluster, you can expand the flow meter according to Fig. 4 by the parts shown in broken lines there, which represent a second biophysicochemical arrangement and each have a component described above correspond. For this reason, these components are provided with corresponding, but additionally provided with a comma.
Der Frequenzzähler 54 ist dann als Auf/Abzähler ausgebil det, dessen Aufwärtszählklemme + mit dem Ausgang der Be triebsschaltung 46 und dessen Abwärtszählklemme - mit dem Ausgang der Betriebsschaltung 46′ verbunden ist.The frequency counter 54 is then ausgebil det as an up / down counter, the up counting terminal + with the output of the loading operating circuit 46 and the down counting terminal - is connected to the output of the operating circuit 46 '.
Der Zählerstand des Frequenzzählers 54 entspricht somit direkt der Abweichung der Bewegung der Acetylcholincluster vom bei Strömungsgeschwindigkeit Null erhaltenen völlig symmetrischen Diffusionsmuster und ist somit direkt der kleinen Driftgeschwindigkeit des Wasserstromes zugeordnet.The counter reading of the frequency counter 54 thus corresponds directly to the deviation of the movement of the acetylcholine clusters from the completely symmetrical diffusion pattern obtained at zero flow velocity and is thus directly associated with the low drift velocity of the water flow.
Man erkennt, daß bei den oben beschriebenen Strömungsmessern die Empfindlichkeit leicht durch Einstellung des Druckregel ventiles 74 geändert werden kann, während mechanische Ände rungen nicht notwendig sind. Man erkennt ferner, daß das Meßergebnis wiederum in für eine rauschfreie und rasche Signalaufbereitung vorteilhafter Frequenzmodulierung be reitgestellt wird.It can be seen that in the flowmeters described above, the sensitivity can be easily changed by adjusting the pressure control valve 74 , while mechanical changes are not necessary. It can also be seen that the measurement result is again provided in frequency modulation which is advantageous for a noise-free and rapid signal processing.
Der in Fig. 4 gezeigte Strömungsmesser läßt sich mit ganz wenigen Abwandlungen auch zum Messen eines elektrischen Feldes verwenden, da das Acetylcholin üblicherweise in Form eines polaren Salzes, z. B. Acetylcholin⁺ Cl⁻ zuge geben wird und die Wanderung des Acetylcholin⁺-Ionen durch ein äußeres elektrisches Feld in ähnlicher Weise beein flußt wird wie durch die Mitnahme durch einen Wasserstrom. Hierzu braucht man nur auf die Enden des Rohrkörpers 56 in Fig. 4 strichpunktiert eingezeichnete Deckel 78 aufzu setzen. Dann erhält man durch das angelegte äußere elek trische Feld wieder eine Unsymmetrie des Diffusionsfeldes der vom Körper 70 abgegebenen Acetylcholin⁺-Cluster, so daß die Betriebsschaltungen 46 und 46′ mit unterschiedlicher Frequenz Impulse abgeben. Um eine Rückdiffusion von Acetyl cholinclustern, welche an der Folie 60 unzersetzt vorbei laufen, zu verhindern, kann man die Innenseite der Deckel 78 mit einer eine große Anzahl von Acetylcholinesterase molekülen tragenden Membran überziehen, so daß die dort ankommenden Acetylcholincluster auf jeden Fall zersetzt werden.The flow meter shown in Fig. 4 can also be used with very few modifications for measuring an electric field, since the acetylcholine is usually in the form of a polar salt, e.g. B. Acetylcholine⁺ Cl⁻ is added and the migration of acetylcholine⁺ ions through an external electric field is influenced in a similar manner as by the entrainment by a water stream. For this purpose, one need only to the ends of the tubular body 56 in Fig. 4 dash-dot recorded aufzu lid 78 put. Then you get an asymmetry of the diffusion field of the delivered from the body 70 acetylcholine⁺-cluster, so that the operating circuits 46 and 46 'emit pulses with different frequency by the applied external electric field again. In order to prevent a back diffusion of acetylcholine clusters, which run past the film 60 without decomposition, the inside of the cover 78 can be covered with a membrane carrying a large number of acetylcholinesterase molecules, so that the acetylcholine clusters arriving there are definitely decomposed.
Der soeben beschriebene Feldstärkemesser dient sowohl zur Ermittelung der Feldrichtung als auch zur Ermittelung der Feldstärke, wozu man zunächst den Rohrkörper 56 so dreht, daß am Frequenzzähler 54 eine möglichst große Ablesung erhalten wird, und dann den Wert der Maximalablesung no tiert.The field strength meter just described is used both to determine the direction of the field and to determine the field strength, for which you first turn the tubular body 56 so that the greatest possible reading is obtained on the frequency counter 54 , and then the value of the maximum reading no tiert.
Durch die oben beschriebene Anordnung wird automatisch auch der Einfluß einer etwa durch die entstehenden Reak tionsprodukte hervorgerufenen Verlangsamung der Reaktion kompensiert, da von dieser Verlangsamung beide Folien 60 und 60′ in gleicher Weise betroffen sind. Nach längerer Meßdauer wird die verbrauchte, Acetat-reiche Lösung im Inneren des Rohrkörpers 56 verworfen und durch neue Lö sung ersetzt, wozu entsprechende Anschlüsse am Rohrkörper 56 vorgesehen werden.The arrangement described above automatically compensates for the influence of a slowing down of the reaction caused, for example, by the resulting reaction products, since both slides 60 and 60 'are affected in the same way by this slowing down. After a longer measurement period, the used, acetate-rich solution in the interior of the tubular body 56 is discarded and replaced by new solution, for which purpose corresponding connections are provided on the tubular body 56 .
Fig. 5 zeigt einen Aufbau zur Untersuchung von Reaktionen an oberflächengebundenen Enzymmolekülen, welcher ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten ist; entsprechende Teile sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und brauchen nicht noch einmal im einzelnen beschrieben zu werden. Die Anordnung ist im betriebsbereiten Zustand, also nach Her stellung der durch Lipid-Doppelschichten gebildeten Mem branen wiedergegeben, die im übrigen nicht näher gezeigt sind. FIG. 5 shows a setup for the investigation of reactions on surface-bound enzyme molecules, which is similar to that shown in FIG. 1; corresponding parts are again provided with the same reference numerals and need not be described again in detail. The arrangement is shown in the operational state, that is, after the manufacture of the membrane formed by lipid bilayers, which are not shown in the rest.
Der Boden des Behälters 10 weist nun einen zweiten Schlitz 12′ auf, in welchem eine zweite Trennwand 14′ genauso ver schiebbar angeordnet ist wie die Trennwand 14 im Schlitz 12. Die Trennwand 14′ hat eine Öffnung 20′, welche von einer Folie 22′ überdeckt ist. Insoweit besteht völlige Übereinstimmung mit den schon oben beschriebenen Anord nungsteilen.The bottom of the container 10 now has a second slot 12 ', in which a second partition 14 ' is arranged just as ver as the partition 14 in the slot 12th The partition 14 'has an opening 20 ', which is covered by a film 22 '. In this respect, there is complete agreement with the arrangement parts already described above.
Die in Fig. 5 nicht wiedergegebene Arbeitsöffnung der Folie 22′ ist wiederum von einer Membran überdeckt, welche durch eine Lipid-Doppelschicht gebildet ist. Diese Membran trägt nun aber ihrerseits andere Enzymmoleküle als die Membran der Folie 22, nämlich solche, die in ihrem Zusam menwirken mit ihnen zugeordneten Substratmolekülen unter sucht werden sollen. Diese Substratmoleküle befinden sich ebenfalls in dem wäßrigen Milieu des Abteiles 16. Um zu verhindern, daß sie direkt mit den Substratmolekülen für die Enzymmoleküle der Membran der Folie 22 reagieren, und um zu verhindern, daß Substratmoleküle für die Enzymmole küle der Membran der Folie 22 mit den Enzymmolekülen der Membran der Folie 22′ reagieren, ist das Abteil 16 durch eine Wand 80 unterteilt, welche nur für die Reaktions produkte der katalytischen Zersetzung von Substratmole külen an der Membran der Folie 22′ durchlässig ist, z. B. für Protonen.The working opening of the film 22 'not shown in FIG. 5 is in turn covered by a membrane which is formed by a lipid double layer. However, this membrane in turn now carries different enzyme molecules than the membrane of the film 22 , namely those which are to be examined in their interaction with substrate molecules assigned to them. These substrate molecules are also in the aqueous environment of compartment 16 . In order to prevent that they react directly with the substrate molecules for the enzyme molecules of the membrane of the film 22, and to prevent substrate molecules for the Enzymmole molecules of the membrane of the film 22 with the enzyme molecules of the membrane of the film 22 'to react, the compartment 16 divided by a wall 80 , which cool only for the reaction products of the catalytic decomposition of substrate moles cool on the membrane of the film 22 ', e.g. B. for protons.
Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung besteht somit aus einem links der Wand 80 liegenden Versuchsteil und einem rechts der Wand 80 liegenden Meßteil. Man erkennt, daß die Ver suchsanordnung nach Fig. 5 sehr einfachen Aufbau aufweist und auch den Verlauf von durch Enzyme katalysierten Reak tionen von Substratmolekülen zu untersuchen gestattet, wenn die Enzymmoleküle von Membranen getragen werden sol len, die selbst keine oder nur eine sehr geringe Leitfä higkeitsänderung zeigen. Man kann so unter anderem auch Reaktionen an molekularen Einfachschichten untersuchen.The arrangement shown in FIG. 5 thus consists of a test part to the left of wall 80 and a measuring part to the right of wall 80 . It can be seen that the experimental arrangement according to FIG. 5 has a very simple structure and also allows the course of enzyme-catalyzed reactions of substrate molecules to be investigated if the enzyme molecules are to be carried by membranes which themselves have no or only a very small guide show ability change. Among other things, one can also investigate reactions on molecular single layers.
Auch einen Temperaturmesser kann man mit einer obenstehend beschriebenen biophysikochemischen Anordnung leicht reali sieren, da bei festgehaltenen übrigen Betriebsparametern die Beweglichkeit der Substratmoleküle bzw. - Cluster im flüssigen Milieu von der Temperatur abhängt.You can also use a temperature meter with one above described biophysicochemical arrangement easily reali due to the fact that the remaining operating parameters are recorded the mobility of the substrate molecules or clusters in the liquid environment depends on the temperature.
So ist bei der Anordnung nach Fig. 1 bei fester Konzentra tion von Substratmolekülen und Enzymmolekülen, gleichem flüssigem Milieu und gleicher Geometrie die Frequenz der Leitfähigkeitsimpulse ein Maß für die Temperatur des flüs sigen Milieus im Abteil 16, da die an der Membran 32 durch die Enzymmoleküle 36 zersetzten Substratmoleküle durch tem peraturabhängige Diffusion aus dem Volumen des flüssigen Milieus ersetzt werden müssen. Das Abteil 16 braucht also bei Verwendung der Anordnung nach Fig. 1 nur thermisch an den Gegenstand angekoppelt zu werden, dessen Temperatur gemessen werden soll.Thus, in the arrangement according to FIG. 1 with a fixed concentration of substrate molecules and enzyme molecules, the same liquid environment and the same geometry, the frequency of the conductivity pulses is a measure of the temperature of the liquid environment in the compartment 16 , since that on the membrane 32 by the enzyme molecules 36 decomposed substrate molecules have to be replaced by temperature-dependent diffusion from the volume of the liquid medium. The compartment 16 therefore only needs to be thermally coupled to the object whose temperature is to be measured when using the arrangement according to FIG. 1.
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