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Biophysik : Eine Einführung :  Eine Einführung - Volker Schunemann

Biophysik : Eine Einführung

Eine Einführung

Paperback Published: September 2004
ISBN: 9783540211631
Number Of Pages: 234

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Language: German
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Welche physikalischen Konzepte gibt es in der Biologie? Wie sind Biomolek??le aufgebaut? Welche Prozesse und Reaktionen laufen in der Zelle ab? Der Autor bietet - eine Einf??hrung in physikalische Methoden - eine Einf??hrung in physikalische Prinzipien in der Biologie - eine Diskussion von aktuellen Fragestellungen aus der biophysikalischen Forschung Dabei wird Wert auf die physikalischen Prinzipien und Methoden gelegt, die f??r das Verst??ndnis von physikalischen Vorg??ngen in der Biologie notwendig sind. Antworten finden Sie in dieser Einf??hrung in die zellul??re und molekulare Biologie

Einführung: Physikalische Konzepte in der Biologiep. 1
Literaturp. 3
WWWp. 3
Aufbau von zellulären Strukturen: Biomoleküle, Wechselwirkungen und molekulare Prozessep. 4
Lipidmoleküle sind die Hauptbestandteile von Zellmembranenp. 4
Klassifizierung von Lipidenp. 5
Experimentelle Methoden zur Charakterisierung von Membranenp. 6
Physikalische Wechselwirkungen bestimmen Gestalt und Interaktion von Proteinenp. 8
Die Coulomb-Wechselwirkung ermöglicht chemische Bindungenp. 8
Die Ionische Bindung wird durch das Coulomb-Gesetz beschriebenp. 9
Der polare Charakter des Wassers: Ein Molekül mit einem elektrischen Dipolmomentp. 11
Induzierte elektrische Dipole sind die Ursache für die Van-der-Waals-Wechselwirkungp. 14
Elektrische Dipole sind die Ursache von Wasserstoffbrückenbindungenp. 15
Thermische Bewegung schwächt die Dipol-Dipol-Wechsel Wirkungp. 17
Die Polypeptidkette wird durch kovalente Bindungen zusammengehaltenp. 18
Schwache Wechselwirkungen bestimmen die Struktur eines Proteinsp. 21
Literaturp. 21
Energie, Reaktionen und Transportprozesse in Zellenp. 23
Bioenergetische Prozesse sind die Grundlagen des Lebens und werden durch die Thermodynamik beschriebenp. 23
Die Erhaltung von Energie und Entropie: Auch die belebte Natur muss sich daran haltenp. 24
Thermodynamische Potentiale beschreiben, ob Reaktionen ablaufen könnenp. 28
Die Thermodynamik beschreibt das physikalische Verhalten einer großen Zahl von Molekülen, den thermodynamischen Gesamtheitenp. 30
Nahezu alle biochemischen Prozesse in der Zelle sind durch Enzyme katalysiert: Enzymatische Katalyse erleichtert Reaktionenp. 31
Elektronen, Ionen und Biomoleküle werden auf verschiedene Art transportiert: Transportprozessep. 35
Molekularer Transport durch Diffusion: Sauerstoff diffundiert durch Zellgewebep. 35
Ionen und Proteine werden auf verschiedene Arten durch Membranen transportiertp. 41
Elektronentransfer in biologischen Systemenp. 52
Membranpotentiale und Mikrochips: Biophysikalische Untersuchungen zur Verbindung von Nervenzellen und Halbleiternp. 58
Elektrische Leitung in Halbleiternp. 59
Der Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor (MOS-FET)p. 60
Elektrische Eigenschaften von Membranen können durch Ersatzschaltbilder dargestellt werdenp. 61
Eine einzelne Nervenzelle kann mit einer Silizium-Mikrostruktur elektrisch koppelnp. 63
Neuronen im Gehirn sind vernetzt: Die Natur dient als Vorbild für künstliche neuronale Netze, die neuartige Rechnerstrukturen ermöglichenp. 68
Vergleich von biologischen und künstlichen neuronalen Netzenp. 69
Modellierung von neuronalen Netzenp. 71
Beispiel eines künstlichen neuronalen Netzes mit 4 Zellen: Das XOR-Netzwerkp. 72
Literaturp. 74
Struktur und Dynamik von Proteinenp. 76
Molekulare Dynamik macht Funktion von Proteinen möglichp. 76
Proteine besitzen strukturell ähnliche Konformationenp. 79
Die Faltung eines Proteins wird durch Wechselwirkungen verursachtp. 80
Konformationen von Biomolekülen lassen sich am Computer berechnenp. 82
Die Potentialfunktion: Grundlage für Konformationsberechnungenp. 82
Dynamik von Biomolekülen lässt sich am Computer simulierenp. 83
Rasterkraftmikroskopie: Eine Methode zum Abtasten von Proteinen und zur Bestimmung von Bindungskräftenp. 88
Motorproteine und ihre submolekulare Funktionp. 93
Der molekulare Mechanismus der Muskelkontraktion: Das Motorprotein Myosin zieht an Aktinfilamentenp. 93
Optische Pinzetten: Dipolfallen für Atome, Proteine und ganze Zellenp. 96
Messung von Kräften einzelner Motorproteinep. 98
Im atomaren und subatomaren Größenbereich muss die Quanten-mechanik zur Beschreibung von Prozessen herangezogen werdenp. 103
Energie kommt in Portionen vor, den Energiequantenp. 103
Die Welleneigenschaft der Materiep. 104
Der Begriff der Wellenfunktionp. 105
Die Heisenbergschen Unschärfe-Relationen: Ort und Impuls sowie Energie und Zeit sind nicht gleichzeitig scharf messbarp. 106
Klassische Größen wie Ort, Impuls und Energie werden in der Quantenmechanik zu Operatoren und dienen zur Berechnung von Erwartungs wertenp. 107
Die Schrödinger-Gleichung ersetzt die Newtonschen Gleichungen im Mikrokosmosp. 109
Die Lösung der Schrödinger-Gleichung für Atome führt auf den Begriff der Elektronenorbitalep. 110
Elektronen und Protonen besitzen ein magnetisches Moment, das durch den Spin verursacht wirdp. 114
Der quantenmechanische Tunneleffekt erlaubt Elektronentransfer in und zwischen Proteinenp. 117
Licht regt Moleküle an: Spektroskopie im ultravioletten und im sichtbaren Bereichp. 118
Die Absorption von Licht durch Materie wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschriebenp. 118
Übergänge von Elektronen in angeregte Molekülorbitale erklären die Absorption von Licht durch Materiep. 120
Die Feinstruktur von Absorptionslinien wird durch Molekülschwingungen verursachtp. 125
Infrarot- (IR-) Spektroskopie: Absorption von elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich macht Schwingungen innerhalb von Proteinen sichtbarp. 126
Intramolekulare Schwingungen werden durch Lichtquanten im Infrarotbereich angeregtp. 128
Anwendungen der IR-Spektroskopie in der Biologiep. 129
Elektronen-Spin-Resonanz (ESR): Absorption von Mikrowellen dient zur Charakterisierung von ungepaarten Elektronen in Metallzentren und von organischen Radikalenp. 131
Literaturp. 138
Methoden zur Bestimmung der Struktur von Biomolekülenp. 141
Physikalische Prinzipien bei der Proteinaufreinigungp. 141
Osmosep. 141
Sedimentationp. 142
Ultrazentrifugationp. 143
Elektrophoresep. 145
Chromatographische Methodenp. 148
Massenspektroskopie: Strukturaufklärung durch Fragmentierung von Proteinen bei minimalen Probenmengenp. 151
Probeneinführung, Ionisation und Detektion von Ionen in der Massenspektroskopiep. 152
Massenspektroskopie von Biomolekülenp. 156
Die Wellennatur von Elektronen ist die Grundlage für die Transmissionselektronenmikroskopiep. 158
Röntgenabsorptionsspektroskopie gibt element-spezifische Strukturmerkmale von Metallzentren in Proteinenp. 163
Die Lage der Absorptionskante gibt Aufschluss über den Valenzzustand des Metallsp. 163
Die Feinstruktur oberhalb der Kante enthält Informationen über Abstand, Art und Zahl der Liganden des Metallsp. 164
Die Feinstruktur muss zur Analyse aus dem Röntgenabsorptionsspektrum extrahiert werdenp. 166
Abstände und Ligandenzahl können aus der Feinstruktur bestimmt werdenp. 166
Einige Anwendungen der Röntgenabsorptionsspektroskopiep. 168
Proteinkristallographie: Die Beugung von Röntgenstrahlen am Proteinkristall erlaubt die Aufklärung der atomaren Struktur von Proteinenp. 171
Für die Röntgenstrukturanalyse sind Proteinkristalle nötigp. 172
Röntgenstrahlen werden an verschiedenen Gitterebenen im Kristall gebeugtp. 174
Ebenen im Kristallgitter werden durch die Millerschen Indizes beschriebenp. 175
Das reziproke Gitter ist eine äquivalente Beschreibung eines Gitters und erleichtert die Interpretation von Röntgenbeugung an Kristallenp. 175
Das Beugungsbild eines Kristalls stellt das reziproke Gitter darp. 176
Die Information über die Molekülstruktur steckt in den Intensitäten der Beugungsreflexep. 176
Die Anzahl der vermessenen Reflexe bestimmt die Auflösung einer Röntgenstrukturp. 180
Nukleare Magnetische Resonanz (NMR): Absorption von Radiowellen durch Atomkerne erlaubt Strukturaufklärung im atomaren Maßstabp. 181
NMR ist eine Spektroskopie, die auf der Absorption von elektromagnetischer Strahlung im Radiowellenbereich beruhtp. 181
Strukturbestimmung von Biomolekülen mit NMR-Spektroskopiep. 187
Literaturp. 195
Anwendungen von kernphysikalischen Methoden in der Biologiep. 197
Radioaktive Tracer: Kontrolliertes Markieren von Substraten mit Isotopen ergibt Informationen über Reaktionsmechanismenp. 197
Mit Hilfe des stabilen Sauerstoffisotops 180 wurde die Wasserspaltung in der Photosynthese bewiesenp. 198
Mit Hilfe des radioaktiven Kohlenstoffisotops 14C wurde die C02-Fixierung in der Photosynthese grüner Pflanzen untersuchtp. 199
Audioradiographische Verfahren erlauben die Lokalisation von radioaktiv markierten Bereichenp. 199
Radioimmunoessays dienen zum Nachweis von geringsten Mengen biologischer Substanzenp. 200
Mößbauer-Spektroskopie: Eine kernphysikalische Methode zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens, der Spinzustände und der Valenzen von Eisenzentren in Biomolekülenp. 200
Mößbauer-Spektroskopie beruht auf rückstoßfreier Resonanz von ¿-Quanten an Kernenp. 201
Die Parameter Isomerieverschiebung, Quadrupolaufspaltung und magnetisches Hyperfeinfeld sind charakteristisch für Valenz- und Spin-Zustand des Mößbauer-Atomsp. 203
Literaturp. 208
Von einzelnen Puzzleteüen zum Verständnis des Ganzen: Wie funktioniert die Lichtreaktion des Photosyntheseprozessesp. 209
Untersuchungen am Photosystem von photosynthetisch aktiven Bakterien bilden die Grundlage zum Verständnis der Photosynthese in grünen Pflanzenp. 211
Im Photosystem II grüner Pflanzen wird Wasser durch ein Metall-Zentrum mit vier Manganionen gespaltenp. 213
Literaturp. 217
Anhangp. 218
Sauerstoffdiffusion im Gewebe am Beispiel des Kroghschen Zylindersp. 218
Herleitung der Goldman-Gleichungp. 221
Mathematischer Anhangp. 225
Die Taylorreihep. 225
Die Lösungen der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatomp. 225
Anwendungen von Fourier-Reihen und Fourier-Tranformationenp. 226
Literaturp. 228
Sachverzeichnisp. 229
Table of Contents provided by Publisher. All Rights Reserved.

ISBN: 9783540211631
ISBN-10: 3540211632
Series: Springer-Lehrbuch
Audience: General
Format: Paperback
Language: German
Number Of Pages: 234
Published: September 2004
Publisher: SPRINGER VERLAG GMBH
Country of Publication: DE
Dimensions (cm): 23.39 x 15.6  x 1.35
Weight (kg): 0.35

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