Vorlesung Biophysik I - Molekulare Biophysik W. Kremer

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1 Vorlesung Biophysik I - Molekulare Biophysik W. Kremer Zelle Biologische Makromoleküle I Biologische Makromoleküle II Nukleinsäuren-Origami (DNA, RNA) Aminosäuren-Origami (Protein-Nanotechnologie) Molekulare Motoren Methoden zur Strukturbestimmung: Magnetische Resonanzspektroskopie I - Grundlagen Magnetische Resonanzspektroskopie II - Mehrdimensionale NMR- Spektroskopie Magnetische Resonanzspektroskopie III Proteinstrukturbestimmung, Dynamik und Bewegung, ESR-Spektroskopie Röntgenstrukturanalyse I Streuung von Wellen, Faltungstheorem, Pattersonfunktion, Phasenproblem Röntgenstrukturanalyse II - Synchrotonstrahlung, zeitaufgelöste Kristallographie Röntgenkleinwinkelstreuung Elektronenmikroskopie I Elektronenoptik, Kontrastentstehung und Bildinformation Elektronenmikroskopie II Kristalline Objekte, Tomographie Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie

2 Magnetische Resonanzmethoden Elektronenspinresonanz (ESR) Ungepaarte Elektronenspins Metallkomplexe Radikale Spinlabel Kernmagnetische Resonanz (NMR) Kernspins NMR in homogenen Medien In-vivo-Spektroskopie NMR-Tomographie und NMR- Mikroskopie

3 Spezifische Eigenschaften der Strukturmethoden NMR-Spektroskopie Röntgenkristallographie Vorteile Struktur in Lösung - quasiphysiologische Bedingungen Nachteile Struktur im Kristallgitter - unphysiologisch - keine Kristallisation notwendig - Kristallisation oft sehr langwierig - dynamische Prozesse gut beobachtbar - Bewegung schwer von Unordnung unterscheidbar Nachteile Vorteile Größenbegrenzung (bis vor kurzem: ca. 300 Aminosäuren) prinzipiell keine Größenbegrenzung

4 Lehrbücher makromolekulare Kristallographie C. R. Cantor & P. R. Schimmel Biophysical Chemistry Teil II Freeman nd Company, San Francisco J. Drenth Principles of Protein X-Ray Crystallography Springer Verlag, Heidelberg

5 -Kristallisation von Proteinen -Proteinkristalle, Cryotechniken -Röntgenbeugung, Kristallsymmetrien und Raumgruppen

6 Kristallisation von Proteinen - Phasendiagramm

7 Kristallisationsmethoden - Batchverfahren - Dialyseverfahren - Flüssigkeits-Flüssigkeits-Diffusion - Dampfdiffusion

8 Dialyseverfahren zur Kristallisation

9 Flüssigkeit-Flüssigkeits-Diffusion

10 Kristallisation im Dampfdiffusionsverfahren Hängender Tropfen (hanging drop) Sitzender Tropfen (sitting drop)

11 Testansätze für die Kristallisation

12 Schematischer Aufbau einer Röntgenstruktureinheit Strahlungsquelle Kristall -Röntgenröhre --Synchroton Monochromator Goniometer

13 Erzeugung von Röntgenstrahlen mit der Kupferanode M-Schale K- Absorptions- L-Schale Emissionsspektrum einer Cu-Anode Schalenmodel von Cu Grenze K-Schale I Charakteristische Strahlung nm nm Bremsstrahlung λ min =hc/ev

14 Absorption von Röntgenstrahlen

15 Beschreibung einer elektromagnetischen Welle (Strahlung) 2 πi ( kr νt + ϕ ) E ( r, t) = E e 0 E ( r, t) = E cos(2π ( kr νt + ϕ)) + i sin(2π ( kr νt + ϕ)) 0 { } mit k = ˆk / λ E(r,t): Elektrisches Feld E am Ort r zur Zeit t E 0 : Amplitude k: Wellenvektor λ: Wellenlänge ν: Frequenz φ: Phasenfaktor

16 Streuung einer EM-Welle an einem Elektron im Ursprung des Koordinatensystems k k 0 k 0 = (1/λ) k 0 k = (1/λ) k Streuvektor S: S = k - k 0 = (1/λ)( k - k 0 )

17 Streuung einer EM-Welle an einem Elektron im Ursprung des Koordinatensystems k k 0 Streuvektor S: S = k - k 0 = (1/λ)( k - k 0 ) S = (SS) 1/2 = (1/λ)( k 2-2 k k 0 cos2θ + k 0 2 ) 1/2 S = (2 sinθ )/λ

18 Geometrische Interpretation von S k 0 S -k 0 θ θ k Der Streuvektor S steht senkrecht auf der Reflexionsebene

19 Streuung einer EM-Welle an einem Elektron: Phasenverschiebung φ

20 Verschiebung im Koordinatensystem führt zur Phasendifferenz φ rk 0 rk Wegunterschied p: p = rk - rk 0 = λ (rk- rk 0 ) = λ rs Phasenunterschied φ: φ =(2π/λ) p= 2π rs

21 Strukturfaktor F(S) F ( S) = E( S,r) E( S,0) Mit E der Feldstärke der durch die Elektronen des Objekts gestreuten Welle und r dem Ortsvektor

22 Atomarer Strukturfaktor f Elektronendichte ρ(r) Strukturfaktor f eines Kohlenstoffatoms

23 Vorlesung Biophysik I - Molekulare Biophysik W. Kremer Zelle Biologische Makromoleküle I Biologische Makromoleküle II Nukleinsäuren-Origami (DNA, RNA) Aminosäuren-Origami (Protein-Nanotechnologie) Molekulare Motoren Methoden zur Strukturbestimmung: Magnetische Resonanzspektroskopie I - Grundlagen Magnetische Resonanzspektroskopie II - Mehrdimensionale NMR- Spektroskopie Magnetische Resonanzspektroskopie III Proteinstrukturbestimmung, Dynamik und Bewegung, ESR-Spektroskopie Röntgenstrukturanalyse I Streuung von Wellen, Faltungstheorem, Pattersonfunktion, Phasenproblem Röntgenstrukturanalyse II - Synchrotonstrahlung, zeitaufgelöste Kristallographie Röntgenkleinwinkelstreuung Elektronenmikroskopie I Elektronenoptik, Kontrastentstehung und Bildinformation Elektronenmikroskopie II Kristalline Objekte, Tomographie Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie

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