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Werner Mäntele

Biophysik

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EAN/ISBN
9783838532707
1. 2012

Details

Biophysik ist ein noch junges Fachgebiet an der Schnittstelle zwischen Physik, Chemie, Biologie und Medizin. Es ist in vielen Studiengängen ein Vertiefungsfach und wird erst seit einigen Jahren als eigenständiges Studienfach in Bachelor- und Masterstudiengängen angeboten.

Dieses Buch entstand an der Goethe-Universität Frankfurt als Begleitbuch zum ersten grundständigen Biophysikstudiengang.

Es führt in grundlegende Konzepte der Biophysik ein und beschreibt die wichtigsten experimentellen Methoden. Bei der Behandlung dieser Konzepte werden einige Grundlagen aus Physik, Chemie und Biologie vorausgesetzt, die üblicherweise in den ersten Semestern des Studiums vermittelt werden.

Aus dem Inhalt:
• Eigenschaften, Struktur und Funktion biologischer Polymere
• Eigenschaften biologischer Membranen
• Transportprozesse über biologische Membranen
• Grundlagen biologischer Energiewandlung
• Spektroskopische Messmethoden
• Rastersondentechniken und molekulares Kräftemessen
• Strahlenbiophysik
  • Biophysik1
  • Inhalt5
  • Vorwort11
  • 1 Biophysik im Umfeld von Physik, Chemie, Biochemie, Biologie und Medizin14
  • 1.1 Die Wurzeln der Biophysik14
  • 1.2 Was ist Biophysik?15
  • 1.3 Biophysik und Strukturbiologie17
  • 1.4 Längenskalen der Biophysik17
  • 1.5 Zeitskalen der Biophysik18
  • 1.6 Energieskalen der Biophysik20
  • 1.7 Kräftebereiche bei Biopolymeren22
  • 22
  • 24
  • 1.10 Einzelne Moleküle oder Ensembles?26
  • 2 Bindungen, Wechselwirkungen und Kräfte bei Molekülen27
  • 27
  • 2.2 Elektronenaffinität und chemische Bindung28
  • 2.3 Bindungstypen 29
  • 2.4 Kräfte und Wechselwirkungen30
  • 2.5 Typische Bindungsenergien und Bindungsabstände32
  • 2.6 Kräfte, Wechselwirkungen und Kraftfelder35
  • 3 Aufbau von Proteinen 38
  • 3.1 Proteine als Alleskönner38
  • 3.2 Aminosäuren als Bausteine für Proteine39
  • 3.3 Stereoisomere von Aminosäuren41
  • 3.4 Aminosäuren verknüpfen durch Peptidbindungen42
  • 3.5 Struktur der Peptidbindung43
  • 44
  • 3.7 Strukturbildung46
  • 3.8 Hierarchie der Wechselwirkungen in Proteinen47
  • 3.9 Bildung typischer Sekundärstrukturelemente48
  • 3.10 Häufigkeit von Sekundärstruktur-Merkmalen51
  • 3.11 Vorhersage von Sekundärstrukturen51
  • 52
  • 3.13 Ladungen von Peptiden und Proteinen54
  • 4 Lipide als Bausteine biologischer Membranen 56
  • 4.1 Phospholipide57
  • 59
  • 4.3 Dynamik von Lipidmolekülen in der Membran62
  • 4.4 Lipidvesikel als Transportmittel für Medikamente64
  • 5 Strukturen und Eigenschaften biologischer Membranen66
  • 5.1 Membranproteine67
  • 5.2 Außenmembranen und Zelloberflächen68
  • 5.3 Charakterisierung von Lipideigenschaften69
  • 71
  • 73
  • 6 Elektrische Eigenschaften von Lipidmembranen75
  • 6.1 Leitfähigkeit und Kapazität der Membran 75
  • 6.2 Gesamtkapazität einer Zelle78
  • 6.3 Zellpotenziale erzeugen extreme elektrische Felder80
  • 6.4 Wechselspannungsverhalten der Lipidmembran82
  • 6.5 Manipulation von Zellen in elektrischen Feldern83
  • 7 Transport durch Membranen85
  • 7.1 Passiver und aktiver Transport86
  • 7.2 Strukturen und Moleküle beim Membrantransport88
  • 7.3 Membrantransport mittels Carriermolekülen92
  • 7.4 Protonencarrier in der Membran95
  • 8 Ionendiffusion, Diffusionspotenziale und Grenzflächenpotenziale an Membranen98
  • 8.1 Diffusionspotenzial98
  • 103
  • 9 Biologische Energieformen und Energietransformationen107
  • 9.1 Energieformen107
  • 108
  • 110
  • 9.4 Chemiosmotische Hypothese113
  • 9.5 Klassifizierung von ATPasen 114
  • 9.6 Photosynthese118
  • 122
  • 123
  • 126
  • 10 Chemische und biochemische Reaktionen129
  • 10.1 Grundlagen129
  • 10.2 Standardzustände130
  • 10.3 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen134
  • 10.4 Enzymreaktionen und Enzymkinetik140
  • 11 Strukturanalyse I: Hochauflösende Strukturuntersuchungen144
  • 11.1 Grundlagen144
  • 11.2 Röntgenbeugung und Proteinkristallografie145
  • 11.3 Zweidimensionale NMR-Spektroskopie150
  • 11.4 Besetzungsgleichgewichte152
  • 11.5 Von der 1-D-NMR-Spektroskopie zur 2-D-NMR-Spektroskopie153
  • 11.6 Festkörper-NMR154
  • 11.7 „Magic-Angle-Spinning“-NMR-Spektroskopie156
  • 12 Strukturanalyse II: Mikroskopie, ­Elektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und Neutronenbeugung159
  • 12.1 Grundlagen159
  • 12.2 Elektronenmikroskopie162
  • 12.3 Rasterelektronenmikroskopie165
  • 166
  • 170
  • 12.6 Neutronenbeugung170
  • 13 Optische spektroskopische Methoden I: Absorptionsmethoden173
  • 13.1 Spektralbereiche elektromagnetischer Strahlung173
  • 175
  • 177
  • 13.4 Energieniveaus von Molekülen180
  • 13.5 Banden statt Linienspektren187
  • 14 Optische spektroskopische Methoden II: Absorptionsmessungen 189
  • 14.1 Quantitative Spektroskopie: Lambert-Beer-Gesetz189
  • 14.2 Typische Fehler bei der Absorptionsspektroskopie191
  • 14.3 Spektrometer193
  • 14.4 UV-Absorption von Biopolymeren199
  • 202
  • 15 Optische spektroskopische Methoden III: Fluoreszenzspektroskopie205
  • 15.1 Grundlagen205
  • 15.2 Fluoreszenzspektrometer207
  • 15.3 Emissions- und Anregungsspektren208
  • 15.4 Fluoreszenzlöschung209
  • 15.5 Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET)210
  • 215
  • 16 Optische spektroskopische Methoden IV: Infrarotspektroskopie 218
  • 16.1 Grundlagen218
  • 16.2 Techniken in der Infrarotspektroskopie222
  • 16.3 Probenherstellung226
  • 228
  • 16.5 Zuordnung von Schwingungsspektren229
  • 16.6 Absorption der Peptidbindung232
  • 16.7 Absorption von Aminosäureseitenketten236
  • 237
  • 240
  • 17 Optische Spektroskopie V: Spezielle Techniken243
  • 17.1 Lichtstreumethoden243
  • 17.2 Näherungsmethoden für Lichtstreumessungen244
  • 17.3 Photoakustische Spektroskopie249
  • 17.4 Lochbrennspektroskopie252
  • 17.5 Spektroskopie mit linear polarisiertem Licht253
  • 17.6 Spektroskopie mit zirkular polarisiertem Licht255
  • 18 Rastersondentechniken257
  • 18.1 Grundlagen257
  • 18.2 Rastertechniken258
  • 266
  • 18.4 Das Rastersondenmikroskop als Nano-Manipulator267
  • 267
  • 19 Sedimentations- und Zentrifugationstechniken269
  • 19.1 Grundlagen269
  • 19.2 Zentrifugation271
  • 274
  • 20 Strahlen- und Umweltbiophysik278
  • 20.1 Dosisbegriffe281
  • 20.2 Grenzwerte für den Strahlenschutz284
  • 20.3 Dosisdefinition bei nichtionisierender Strahlung284
  • 285
  • 20.5 Radioaktive Strahlung und radioaktive Präparate291
  • 20.6 Dosimetrie294
  • 297
  • 20.8 Strahlenbelastung der Bevölkerung in Deutschland299
  • 302
  • 20.10 Nichtionisierende Strahlung und EMF-Belastung304
  • Literaturverzeichnis309
  • Register312