Spektroskopische Methoden in der Biochemie

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1 Spektroskopische Methoden in der Biochemie Von Hans-Joachim Galla unter Mitarbeit von Hans-Jürgen Müller 214 Abbildungen, 13 Tabellen 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network Georg Thieme Verlag Stuttgart New York

2 Kapitel 1 Struktur und Funktion biologischer Makromoleküle 1. Proteine Nukleinsäuren 3. Lipid-Membranen Biologische Membranen Modellmembranen Struktur von Phospholipid- Doppelschichten Molekulare Dynamik in Lipid- Membranen 9 4. Polysaccharide 10 Literatur 10 Kapitel 2 Absorptionsspektroskopie im UV-und VIS-Bereich Physikalische Grundlagen Wechselwirkung des Lichtes mit Materie Elektronische Übergänge und Struktur des Spektrums Molekülorbitale und elektronische Übergänge Quantifizierung der Lichtabsorption Lösungsmittel-Einflüsse Meßtechnik Anwendungsbeispiele Chromophore Aminosäuren und Peptide Lineardichroismus Hypochromie 19 Literatur 21 Kapitel 3 Optische Rotationsdispersion und Circulardichroismus Physikalische Grundlagen Polarisationszustände des Lichts Optische Rotationsdispersion Circulardichroismus Konzept des optisch aktiven Chromophors Meßtechnik Anwendungsbeispiele Analyse der Sekundärstruktur von Proteinen Polynukleotide und Nukleinsäuren 30 Literatur 30

3 VII Kapitel 4 Infrarot-Spektroskopie. 1. Das IR-Spektrum Physikalische Grundlagen Schwingungen eines zweiatomigen Moleküls Harmonischer Oszillator Anharmonischer Oszillator IR-aktive Schwingungen eines mehratomigen Moleküls Einbeziehung der Rotation Meßtechnik Spezielle IR-Techniken Abgeschwächte Totalreflexion Fourier-Transform-IR-Spektroskopie Anwendungsbeispiele Konformationen und Wechselwirkungen von Proteinen Konformationen und Wechselwirkungen von Nukleinsäuren Modell- und Biomembranen Literatur 45 Kapitel 5 Fluoreszenz-Spektroskopie 1. Physikalische Grundlagen Absorptions- und Emissionsübergänge 1.2 Desaktivierungsprozesse Strahlungslose Desaktivierung Lumineszenz 1.3 Quantenausbeute 1.4 Fluoreszenz-Lebensdauer Lösungsmittel-Einflüsse 1.6 Anregungsspektren Konzentrationsabhängigkeit der Fluoreszenz Reabsorption emittierter Fluoreszenz-Strahlung Dimeren-Bildung Angeregte Dimere Fluoreszenz-Löschung Dynamische Fluoreszenz- Löschung Statische Fluoreszenz-Löschung Energieübertragung Fluoreszenz-Polarisation Qualitative Beschreibung. 5.2 Quantitative Beschreibung Absorptionsprozeß Emission (Fluoreszenz) Statische und zeitaufgelöste Fluoreszenz-Polarisation Anwendungsbeispiele Natürliche Fluorophore und Fluoreszenz-Sonden 61 Bathochrome Verschiebung der Tryptophan-Fluoreszenz von Proteinen 62 Änderung der Quantenausbeute bei Wechselwirkung mit makromolekularen Systemen 62 Excimere 64 Bestimmung des lateralen Diffusionskoeffizienten Phasentrennungsphänomene in Lipid-Membranen Protein-Assoziation Excimer-Laser Lokalisation von Fluoreszenz-Sonden durch Fluoreszenz-Löschung Abstandsmessung durch Energieübertragung Fluoreszenz-Depolarisation Messung der Phasenumwandlung 53 von Lipid-Membranen Bestimmung der Rotationskorrelationszeiten von Proteinen durch zeitabhängige Fluoreszenz-Depolarisation Fluorescence Recovery after 58 Photobleaching" ; 70 Literatur 71

4 VIII Inhaltsverzeichnis Kapitel 6 Elektronenspinresonanz Physikalische Grundlagen 1.1 Magnetisches Moment Zeeman-Effekt 1.3 Larmor-Präzession Resonanzphänomen Boltzmann-Verteilung Relaxationsmechanismen Spin-Gitter-Relaxation Spin-Spin-Relaxation g-faktor 1.8 Hyperfeinstruktur Meßtechnik Untersuchung von Biomolekülen 3.1 Spinsonden-Technik Nitroxid-Radikalsonden Spektrale Anisotropie Spin-Hamilton-Operator Ordnungsgrade in Lipid-Doppelschichten Lipid-Protein-Wechsel Wirkung Bestimmung von Lipidphasen-Umwandlungstemperatur anhand von Polaritätseffekten Rotationskorrelationszeit Laterale Diffusion und Lipid- Phasentrennung Transversale Diffusion Metall-Ionen in Proteinen Elektronen-Konfiguration von Übergangsmetall-Ionen Titration von Me 2+ -Bindestellen in Proteinen Cytochrom c-oxidase Biologische freie Radikale Flavin-Radikale Substrat-Radikale bei Enzym- Reaktionen Strahlenschäden in DNA- Strängen 97 Literatur 97 Kapitel 7 Kernmagnetische Resonanz 1. Kernspins in biologischen Substanzen Physikalisches Bild des NMR- Experiments Meßtechnik Struktur des NMR-Spektrums Chemische Verschiebung Spin-Spin-Kopplung Relaxationsmechanismen Spin-Gitter-Relaxation, T, Spin-Spin-Relaxation, T , Vergleich der Relaxationszeiten Puls-Foürier-Transform-NMR Pulstechnik Freier Induktionsabfall Spin-Echo-Methode zur Messung von T Messung von T! Progressive Sättigung Inversions-Erholungsmethode Anwendungsbeispiele Basen-Stapelung Analyse von Protein-Spektren Protonen-Spinrelaxation in Proteinen und Lipid-Membranen ph-abhängigkeit der NMR- Spektren von Aminosäuren Moderne Techniken Spin-Entkopplung Zweidimensionale NMR C-NMR Chemische Verschiebung Spin-Spin-Entkopplung Isotopen-Anreicherung Doppelresonanz-Technik und Nuklear-Overhauser-Effekt Bestimmung von Segmentbeweglichkeiten durch Ti -Messungen P-NMR 120 Literatur 121

5 IX Kapitel 8 Lichtstreuung Elastische Lichtstreuung Streuung an einem isolierten, isotropen Molekül Streuung an mehreren Molekülen Streuung an verdünnten Gasen Streuung an Molekülen in Lösung Streuung an größeren Molekülen Meßtechnik Quasi-elastische Lichtstreuung Anwendungsbeispiele 129 Literatur 129 Kapitel 9 Raman-Spektroskopie 1. Physikalische Grundlagen Klassische Beschreibung der 3.1 Polarisierbarkeit Raman-Effekt als Zwei- 3.3 Photonen-Prozeß Resonanz-Raman Auswahlregeln Meßtechnik Anwendungsbeispiele 134 Raman-Spektren von Proteinen Phasenumwandlungen in Lipiden.135 Resonanz-Raman-Spektren biologischer Chromophore Literatur 137 Kapitel 10 Röntgen- und Neutronen-Beugung 1. Röntgen-Beugung Aufnahme von Beugungsbildern Drehkristallmethode Pulvermethode Bestimmung von Elektronendichten Neutronen-Beugung 143 Literatur 144 Sachverzeichnis : 145