2 Coulomb-Kraft Elektrisches Potential... 9

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1 Inhaltsverzeichnis I Strukturprinzipien 7 1 Konservative Kraft / Potential 7 2 Coulomb-Kraft Elektrisches Potential Abstoßendes Potential 10 4 Bindungsarten Ionische Bindung: Kovalente Bindung Schwache Bindungen Elektrischer Dipol Potentielle Energie einer Punktladung q p im Dipolfeld Potential eines Dipols im Dipolfeld Potential Dipol und Influenzierter Dipol Sich gegenseitig influenzierende Dipole Wasserstoffbrückenbindung Bindungscharakter und Bewegung II Thermodynamische Grundlagen 15 5 Zustandsgrößen und Zustandsgleichungen 16 6 Hauptsätze der Thermodynamik: Energie und Entropie Erster HS der Thermodynamik Zweiter HS der Thermodynamik

2 7 Thermodynamische Potentiale Die freie Energie Die Enthalpie Die freie Enthalpie Phasenübergänge Das chemische Potential Das chemische Potential im Gleichgewicht Die Einstellung des Gleichgewichtes: Kinetik III Biologische Polymere 29 8 Allgemeine Eigenschaften von Polymeren Freely-jointed chain (FJC) Worm-like chain (WLC) Proteine Aufbau und Struktur Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur Proteinfaltung Hydrophober Effekt Wechselspiel zwischen Entropie und Enthalpie bei der weiteren Faltung Thermodynamik der Faltungsreaktion Ursprung der Kooperativität Kinetik der Faltungsreaktion Dynamik und Funktion

3 10 Nukleinsäuren Aufbau Mechanische Eigenschaften Thermodynamische Eigenschaften IV Biomembranen und Zellen Membranen Aufbau und Struktur Phasenumwandlungen und Dynamik Zellen Grundlegender Aufbau Zellmechanik V Spektroskopische Methoden Optische Spektroskopie Grundlagen der optischen Spektroskopie Das elektromagnetische Spektrum Energiezustände der Materie Absorption Skizze der quantenmechanischen Grundlagen der optischen Spektroskopie Fluoreszenz Einfluss des Lösungsmittels Photophysik Fluoreszenzquantenausbeute und Fluoreszenzzerfall

4 Messung von Fluoreszenzabklingzeiten Fluorophore Energieübertragung Resonanzenergietransfer (Förster)- Spektroskopisches Lineal Quenching Spinresonanzspektroskopie Spin Energie im B -Feld Experimentelle Realisierungen ESR NMR Kernphysikalische Methoden Mößbauer-Spektroskopie VI Mikroskopie Optische Mikroskopie Auflösungsvermögen klassisches Mikroskop Hochauflösende Fernfeldmikroskopie Konfokalmikroskopie Mikroskopie Zwei-Photonen-Mikroskopie STED-Mikroskopie Nahfeldmikroskopie Das optische Nahfeld Realisation von Nahfeldmikroskopen

5 17 Rastersondentechniken Rastertunnelmikroskopie Rasterkraftmikroskopie Einzelmolekültechniken Ziel Kraftspektroskopie AFM Optische Pinzette Einzelmolekülfluoreszenz Voraussetzungen Mikroskopietechniken Detektion in Lösung Detektion immobilisiert Methoden und Anwendungen

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7 Prolog: Grössen und Dimensionen biologischer Systeme Biologische Systeme sind Entitäten, die exklusiv in belebter Materie vorkommen Die kleinsten Systeme sind Moleküle, zum Beispiel Proteine oder DNA, die wenige Nanometer groß sind Teil I Strukturprinzipien Struktur ist definierte Anordnung von Untereinheiten Wodurch definierte Anordnung?,!Kräfte zwischen Untereinheiten, wofür häufig der Begriff Bindung verwendet wird Bindung definierter Länge erfordert anziehende und abstoßende Kraft! 1 Konservative Kraft / Potential Konservative Kraft ist darstellbar als Gradient eines Potentials V ~F = ~ rv (~r )( ~ r =gradient) Die Arbeit entlang eines geschlossenen Weges verschwindet I ~Fd~s =0 Arbeit ist unabhängig vom Weg 7

8 In einem einfach geschlossenem Gebiet ist die partielle Ableitung einer Kraftkomponente nach einer anderen Koordinate gleich der partiellen Ableitung der Kraftkomponente dieser Koordinate nach der ersten i k Alle fundamentalen Kräfte sind konservativ,!keine weitere Energieform (Wärme) im Spiel Kennt man das Potential, kennt man die Kraft, und (bis auf eine Konstante) umgekehrt Wie bereits erwähnt, ist die Kraft der Gradient des Potentials (so was wie das Gefälle ) ~F = ~ rv (~r ) Das Potential kann durch Integration der Kraft entlang eines Weges bestimmt werden V (~r )= Z ~r 1 ~F (~r ) d~r für konservative Kräfte wegunabhängig! 2 Coulomb-Kraft Wichtigste Wechselwirkung für belebte Natur, da sie die Chemie und damit die Biologie bestimmt ~F C = 1 Q 1 Q 2 ~e 4 o r 2 r wie jede fundamentale Kraft: Zentralkraft 8