EINFÜHRUNG IN DIE BIOPHYSIK
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- Klara Siegel
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1 EINFÜHRUNG IN DIE BIOPHYSIK Helmut Grubmüller, Detlev Schild Max Planck-Institut für biophysikalische Chemie Theoretische und Computergestützte Biophysik Am Fassberg Göttingen Tel.: / hgrubmu@gwdg.de
2 (A) Molekularer Level (H. Grubmüller) 1. Einführung 1.1. Beispiele für Proteinfunktion: Photosynthese, ATP-Synthese 1.2. The players: DNA/RNA, Proteine, Enzyme, Ribosom, Lipide, Kohlehydrate, Lösung, kleine Moleküle (Ionen, ATP, Vitamine, Farbstoffe) 1.3. Molekulare Evolution: Woher kommt das alles? 2. Proteinstruktur und vielfältige Wechselwirkungen 2.1. Proteinstruktur: Aminosäuren, Primär-, Sekundär-, Tertiär-, Quartär-Struktur 2.2. Inter-/ Intramolekulare Wechselwirkungen und deren Stärke 2.3. Zusammenhang Proteinstruktur/Proteinsequenz; Homologie, Proteinfamilien, Bioinformatik 2.4. Experimentelle Methoden: PCR, Sequenzierung, Gel-elektrophorese, X-ray, EM, NMR
3 3. Proteindynamik 3.1. Dynamische Prozesse, Zeitskalen 3.2. Freie Energie, Ligandenbindung, Drug design 3.3. Experimentelle Methoden: EPR, Neutronenstreuung, FT-IR, opt. Spektr., AFM, FRET, Patch Clamp 4. Mechanismen der Proteinfunktion 4.1. ATP-Synthese: Elektro-Mechano-Chemische Energiewandlung 4.2. Wasserpermeation über Poren-Proteine: ein bemerkenswerter Filter 4.3. BSE, Kreutzfeld-Jakob
4 (B) Zellulärer Level (D. Schild) A) Elektrochemische GGW an Zellmembranen (Donnan-GGW, Membranpotentiale) B) Transportproteine (ATP, gradient driven), Struktur, Funktion, Elektrochemie, Beispiel: KNaATPase, NaCaAntiport C) Ionenkanäle (Struktur, Selektivität, Permeabilität, Spannungsabhängigkeit, GHK, HodgkinHuxleyGl.) D) Kabelgleichungen (elekroton. Leitung), Aktionspot. (Nerv, Muskel, Herz) E) Nervenleitung F) Synaptische Signalverarbeitung (Exocytose, Transmitter, Rezeptoren) G) Calcium: Wirkungen, Wellen, Pufferung, Messung H) Biophysik des Sehens & Photobiophysik I) Biophysik des Hörens, Psychoakustik J) Chemische Sinne: biol. and artificial nose K) Molekulare Motoren (Kinesin, Dynein, Myosin/Aktin)
5 Begleitend: Computersimulation Biomolekularer Prozesse (H. Grubmüller, B. de Groot, Di, 15:00-16:30, HS3) - Biomolekulare Energetik & Thermodynamik - Intra- und Intermolekulare Wechselwirkungen - Proteindynamik und Proteinfunktion - hands-on - Molekuardynamiksimulationen
6 MD simulations of water transport via aquaporins - ca atoms - full electrostatics, periodic boundary - 10 ns simulation time B.L. de Groot, H. Grubmüller, Science 294, 2353 (2001)
7 Molecular dynamics simulation, 1s = ^ s 4 nm
8 Water Permeation proceeds in steps one out of 16 full spontaneous permeation events (2 ns) (outside the channel, only few water molecules are shown) B.L. de Groot, H. Grubmüller, Science 294, 2353 (2001)
9 Chloroplasten, Tylakoid-Membran
10 From: X. Hu et al., PNAS 95 (1998) 5935 Primary steps in photosynthesis
11 12 nm Photosynthetic Reaction Center
12 a water molecule
13 an ethanol molecule
14 a water droplet
15 a water droplet
16 water vapor
17 a salt crystal (NaCl)
18 diamond (10-21 carat)
19 Carbon Oxygen Nirogen Sulfur (Hydrogen not shown) Photosynthetic Reaction Center
20 Carbon Oxygen Nirogen Sulfur (Hydrogen not shown) Photosynthetic Reaction Center
21 Carbon Oxygen Nirogen Sulfur (Hydrogen not shown) Photosynthetic Reaction Center
22 Subunits without covalent linkage Photosynthetic Reaction Center
23 Subunits without covalent linkage Photosynthetic Reaction Center
24 only amino acids shown Photosynthetic Reaction Center
25 backbone with side groups: aliphatic aromatic charged others Photosynthetic Reaction Center
26 backbone fold Photosynthetic Reaction Center
27 secondary structure Photosynthetic Reaction Center
28 alpha helices beta sheets unstructured and loops Photosynthetic Reaction Center
29 Prosthetic groups: Chlorophyl ( with Mg++) Photosynthetic Reaction Center
30 Prosthetic groups: more chlorophyls and pheophytins Photosynthetic Reaction Center
31 Prosthetic groups: Menaquinone Iron Ubiquinone Photosynthetic Reaction Center
32 Prosthetic groups: Heme groups with iron Photosynthetic Reaction Center
33 Proteins contain water molecules Photosynthetic Reaction Center
34 Primary steps in photosynthesis
35 light harvesting complex
36 Proteins only (apoprotein) light harvesting complex II
37 Proteins only light harvesting complex II
38 + chlorophyls, carotenoids light harvesting complex II
39 Primary steps in photosynthesis
40 F-ATP Synthase
41 ATP hydrolysis drives rotation of γ subunit and attached actin filament
42 Photosynthetic Reaction Center
43
44 The Cell?
45 Hexokinase W. S. Bennet and T. A. Steitz, JMB 140, 211
46 Electrostatics of Acetylcholinesterase Acetylcholinesterase is an electrostatic vacuum cleaner Ripoll et al., PNAS 90 (1993), 5128
47 myoglobin
48 antibody IGG domain
49
50 porin
51 bacteriorhodopsin
52 A model of Bacteriorhodopsin
53 A model for the BR photocycle
54 Influenza Virus Infection
55 hemagglutinin (influenza virus)
56 Conformational Transition of Hemagglutinin
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