Biologische Systeme - Technische Kybernetik

Modul 16980, AnwendungsfachBiologische SystemePeter Scheurich, Institut für Zellbiologie und ImmunologiePeter.scheurich@izi.uni-stuttgart.dePeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 1

Einordnung des Anwendungsfachs 'Biologische Systeme' indie Gesamtstruktur des Studiengang Technische Kybernetik● 3.+ 4. Semester: Modul 'Grundlagen der Natur- und Ingenieurwissenschaften'Die Studierenden haben größtmögliche Wahlfreiheit. Im Modul "Grundlagen derNatur- und Ingenieurwissenschaften" sind im Umfang von 12 LP Module ausden Angeboten der Studiengänge der Fakultäten Energie-, Verfahrens- undBiotechnik, Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie sowie Konstruktions-,Produktions- und Fahrzeugtechnik zu wählen. Für die Auswahl gelten § 5 Abs. 5und § 9 Abs. 1 Nr. 4 der Prüfungsordnung. Art und Umfang der Leistungs-erbringung richten sich nach den Prüfungsordnungen und Modulhandbüchernder Studiengänge, dem die Module entnommen sind.Vorschläge sortiert nach fachlichen Bereichen:Bereich BiologieTechnische Biologie I/II, Modulnummer 17960, Modulkürzel 044100001,6 LP aus dem Studiengang Verfahrenstechnik (Takors)Biophysik I, Modulnummer 14960, Modulkürzel 081300005,6 LP aus dem Studiengang Chemie (Wrachtrup)Biochemie I, Modulnummer 20960, Modulkürzel 030310921,6 LP aus dem Studiengang Technische Biologie (Hilt)Biophysikalische Chemie, Modulnummer 11980, Modulkürzel N/A,6 LP aus dem Studiengang g Mathematik (Ghosh)ANSPRECHPARTNERProf. Dr.-Ing. F. AllgöwerUniversität StuttgartInstitut für Systemtheorieund RegelungstechnikProf. Dr. N. RaddeUniversität StuttgartInstitut für Systemtheorieund RegelungstechnikDipl.-Ing. S. WaldherrUniversität StuttgartInstitut für Systemtheorieund RegelungstechnikProf. Dr.-Ing. O. SawodnyUniversität StuttgartInstitut fürSystemdynamikProf. Dr. P. ScheurichUniversität StuttgartInstitut für Zellbiologieund ImmunologiePeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 2

Einordnung des Anwendungsfachs 'Biologische Systeme' indie die Gesamtstruktur des Studiengang Technische Kybernetik● 5.+6. Semester: Wahlbereich Anwendungsfach → Biologische SystemeBiomoleküle und Biomedizin (Hilt/Kontermann 6 LP)Systemische Physiologie (Wollnik/Hauber 3 LP)Biomolekülstruktur und Thermodynamik (Ghosh 3 LP)Zellbiologische Grundlagen für die Systembiologie (Scheurich/Waldherr 6 LP)Zellbiologische und Physiologische Grundlagen (Scheurich/Wollnik 6 LP)● 5. Semester: Modul 'Modellierung I' → Dynamik biologischer Systeme (Radde)Wahlkatalog: Dynamik verfahrenstechnischer, mechanischer, oder biologischer Systemeoder Maschinendynamik● Master Technische Kybernetik: Vertiefungsrichtung 'Systembiologie; Wahlkatalog: Dynamikverfahrenstechnischer, mechanischer, oder biologischer Systeme oder MaschinendynamikPeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 3

Modul 16980; 12 LP sind zu wählenBiomoleküle und Biomedizin (Hilt/Kontermann; 6 LP; SS)Hilt/Rudolph; BiochemieKontermann; Biomedical EngineeringSystemische Physiologie (Wollnik/Hauber; 3 LP; SS)Biomolekülstruktur und Thermodynamik (Ghosh; 3 LP; SS)Zellbiologische Grundlagen für die Systembiologie (Scheurich/Waldherr 6 SS)Scheurich, IZI-Mitarbeiter; Zellbiologie (Vorlesung + Tutorium)Waldherr/Scheurich; Praktikum „Vom Experiment zur Simulation“Zellbiologische und Physiologische Grundlagen (Scheurich/Wollnik; 6 LP; SS)Scheurich, IZI-Mitarbeiter; Zellbiologie (Vorlesung + Tutorium)Systemische Physiologie (Wollnik/Hauber; 3 LP; SS)Peter Scheurich (IZI) 20-07-2011 4

Biochemie• Biochemische Evolution, Grundprinzipien des Lebens, die biologische Energie• Die Zelle• Aminosäuren und Proteine: Struktur, Faltung, Funktion• Biokatalysatoren: Enzyme, Coenzyme, Enzymkinetik und Regulation• Nukleinsäuren und die genetische Information: DNA, RNA, tRNA, genetischer Code,Genexpression• Gentechnologie, DNA Sequenzierung, PCR• Lipide und biologische Membranen• Transport und Kommunikation über Membranen• Energie- und dBaustoffwechsel: Kohlenhydrate, h Fette, Proteine, Glykolyse, l Citratzyklus, t oxidative Phosphorylierung, Photosynthese, Gluconeogenese, Glykogenstoffwechsel,Pentosephosphatweg• Übersicht über den Aminosäure-, Nucleotid- und Fettstoffwechsel• Der Zellzyklus, Grundlagen der Regulation durch Phosphorylierung und Ubiquitylierung• Anwendungsbereiche der Biotechnologie• Methoden der Biochemie (Praktikum): Proteine: Löslichkeit, Stabilität, immunologischerNachweis DNA: Isolation aus E.coli (Miniprep), Restriktionsverdau, Elektrophorese,Transformation von E.coli mit einem PlasmidPeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 5

Biomedizin• Medical Need• Marktentwicklung rekombinanter therapeutische Proteine• Arzneimittelentwicklung• Galenik und Qualitätssicherung• Pharmakologie und Toxikologie• AnwendungenGerinnungsfaktorenAntikoagulanzienHormoneWachstumsfaktorenInterleukine, InterferoneAntikörper, VakzineEnzyme und neue Entwicklungen in den Bereichen Gentherapie und BiogenerikaWeitere therapeutische ProteinePeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 6

Physiologie• Neurophysiologie (Nerv,Muskel, Synapse)• Sinnesphysiologie (Gehör,visuelles System)• Stoffwechselphysiologie(Herz-/Kreislaufsystem,Atmung)Peter Scheurich (IZI) 20-07-2011 7

Biomolekülstruktur und ThermodynamikProteinthermodynamikPräambel: Wie viel Energie steht für Proteinvermittelte Phänomene zur Verfügung?Proteine sind als Materie einzigartig. Einerseits sind Proteine, thermodynamischen Betrachtungen nach, nicht Tensidähnlichsondern richtige Festkörper, häufig mit einer Packungsdichte, die höher ist als in einem NaCl Kristall.Anderseits zeigen spektroskopische Methoden, dass das Proteinrückgrad und auch die Aminosäureste kontinuierlich inBewegung sind! Also sind Proteine „ATMENDE STEINE“!.DIE ZUGÄNGLICHEN ZUSTÄNDE VON PROTEINEN SIND DURCH DIE VERFÜGBAREN ENERGIEN BESTIMMT!Die Vorlesung beschäftigt sich mit der Frage: was sind die thermodynamischen und kinetischen Grenzen von ProteinvermitteltenPhänomenen? Z.B.:Protein-Protein-WechselwirkungProteinfaltung:ThermodynamischeUntersuchungenVorlesungsinhalt:•Der hydrophobe Effekt – was sind die Konzepte - wie genau sind diese Konzepte?•Experimentelle Beweise für die energetischen Grenzen von Proteinphänomenen anhand des Beispiels T4Lysozym•Proteinfaltung –thermodynamisch betrachtet – wie stabil sind Proteine?•Das Beispiel: die Wechselwirkung zwischen CD4 und gp120 des AIDS Virus – welche einzigartige Informationliefert eine thermodynamische Analyse?Peter Scheurich (IZI) 20-07-2011 8

Zellbiologie• Der Aufbau der Zelle• Bausteine der Zelle• RNA, DNA• Transkription, Translation• Struktur und Funktion vonProteinen• Protein-Analytik• Moderne mikroskopischeMethoden• Zelluläre Analytik• Gentechnik undmolekularbiol. Methoden• Apoptosep• Proliferation undDifferenzierung• Transformation undZellzyklus• IntrazelluläreSignaltransduktion• InterzelluläreläKommunikationPeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 9

Vom Experiment zur Simulation40003740352033003080286026402420220019801760154013201100880660440220eGFP0:00 40:00 80:00 120:00 160:00 200:00 240:00 280:00 320:00R1 R2 R3min:secPeter Scheurich (IZI) 20-07-2011 10