Michel Daune. Molekulare. Biophysik. Aus dem Französischen übersetzt von Stephanie Quant

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Jörn Schumacher
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1 Michel Daune Molekulare Biophysik Aus dem Französischen übersetzt von Stephanie Quant

2 Vorwort... Einführung... Inhaltsverzeichnis... V TEIL KONFORMATION DER BIOPOLYMERE... Allgemeine Bemerkungen Die Geometrie einer Polymerkette Der Abstand zwischen den Endpunkten Der Radius der Kreiselbewegung Einschränkungen durch die Valenzbindung Das Torsionspotential... 2 Die intermolekularen Kräfte Einführung Der elektrische Ursprung der Wechselwirkungsenergie Wechselwirkungen zwischen Ladungen und permanenten Dipolen Ion-Ion- Wechselwirkungen Ion-Dipol- Wechselwirkungen Dipol-Dipol- Wechselwirkungen Induzierte Dipole I Ion-Molekül- Wechselwirkung Dipol-Molekül- Wechselwirkung Wechselwirkung zwischen zwei induzierten Dipolen Formen der potentiellen Energie Allgemeine Übersicht Potentialfunktionen mit Kugelsymmetrie Die Wasserstoffbrückenbindung I Definition der Eigenschaften Geometrie und verzweigte Bindungen Empirisch analytische Potentialgleichung Konformationsberechnung Verbundene Atome I Valenzbindung Torsionspotential Nicht verbundene Atome Topologische Zwänge Die Organisation in einer Helix... 31

3 3.5 Konformationeller Übergang von Helix zu Kette Thermodynamischer Bezug Modell des Reißverschlusses Matrizenmodell (Zimm und Bragg) Konformation der Nukleinsäuren Einführung Primärstruktur Die Struktur der Nukleotidkette I Die Basen Der Zucker Die Rotationswinkel der Phosphordiesterkette Die Struktur der Doppelhelix Die kanonischen Formen A und B Die Z-Form Verzerrung und neue Helixparameter Polymorphismus Eigenschaften zirkulärer DNA I Modellierung und Topologie Physikalische Eigenschaften zirkulärer DNA Gelelektrophorese Polymorphismus und Flexibilität der DNA Die Doppelhelix: Thema mit Variationen Flexibilität Übergang Doppelhelix-Einzelstrang B-Z-Übergang Ausbildung einer kreuzförmigen Struktur Tripelhelix und Quadruplex Interkalation Struktur der Ribonukleinsäuren (RNA) I Modellierung Dreidimensionale Struktur Proteinkonformation Sequenz Konformationsparameter der Peptidbindung Räumliche Anordnung und auftretende Probleme Analyse bestimmter Sekundärstrukturen a-helices Helix und ß-Schleifen Polyprolin-Helices ß-Faltblätter Vorhersage der Sekundärstruktur Methode von Ramachandran Verwendung von Potentialfunktionen Statistische Vorhersagen

4 5.6 Tertiärstruktur I Intramolekulare Wechselwirkungen Faltungskräfte Faltungstheorie Arten der Darstellung Mechanismus der Faltung Beziehung Struktur - Funktion Schlußfolgerungen Literatur TEIL DYNAMIK DER BIOPOLYMERE Allgemeine Bemerkungen Intramolekulare Ebene Molekulare und intermolekulare Ebene Schwankungen um eine Gleichgewichtskonformation Modell des harmonischen Oszillators Form der Potentialquelle Fall der starken Dämpfung Der Begriff der Anziehung Gekoppelte Oszillatoren und Normalmoden Brownsche Bewegung Zufallsvariable und Autokorrelationsfunktion Die Zufallsvariable Stochastischer Vorgang Autokorrelationsfunktion Brownsche Bewegung und Diffusionskonstanten Mathematische Analyse Bezug zu makroskopischen Gesetzen Die Langevinsche Gleichung Aufstellen der Gleichung Der harmonische Oszillator mit Brownscher Bewegung Brownsche Bewegung in Anwesenheit externer Kräfte Allgemeine Gleichung eines Transportprozesses Sedimentation Elektrophorese Übergang einer Konformation in eine andere oder auch Transkonformation Einleitung Kinetik der Transkonformation Transkonformation alleine Difisionskontrollierte, bimolekulare Reaktion

5 3.2 Chemische Relaxation Prinzip Anwendung auf bimolekulare Reaktionen Mehrstufenreaktionen Übergang Doppelhelix-Einzelstrang Kinetik des Übergangs Helix-Kette Überschreiten einer Potentialbarriere Theorie des aktiven Komplexes (Eyring, 1940) Theorie von Kramers (1940) Experimentelle Methoden Ramanspektroskopie Allgemeines Erste Annäherung Weitergehende Aspekte der Annäherung Ramanresonanz Fluoreszenzdepolarisation I Definitionen und Berechnungen Messungen Protonenaustausch Einführung Austauschmechanismus Die Nukleinsäuren: Kopplung mit einem Öffnungs-Schließungs-Mechanismus Proteine Austauschtechniken Strahlen und Temperaturfaktoren Bestimmung und Bedeutung von B lnterpretation von B Ergebnisse der molekularen Dynamik Blitzlichtphotolyse Allgemeines Anwendung auf die Proteindynamik Unelastische Lichtstreuung I Prinzip Berechnung der gestreuten Intensität Unelastische Neutronendiffusion Schnelle Kinetiken I Blockierter Auslauf (stopped-flow) Temperatursprung (T-jump) Andere experimentelle Methoden Methoden zur Modellierung der intramolekularen Dynamik Dynamik der Normalmoden Molekulare Dynamik Stochastische Dynamik Schlußfolgerung

6 TEIL HYDRATATION DER BIOPOLYMERE Allgemeine Bemerkungen Eigenschaften des Wassers Das Wassermolekül Das Eis Struktur Gefrierschutzpeptide Das flüssige Wasser Strukturelle Untersuchungen Modelle von flüssigem Wasser Hydrophobe und hydrophile Moleküle Hydratation hydrophober Gruppen Ionenhydratation Strukturelle Aspekte Thermodynamischer Aspekt Lyotrope Reihe Hydratation von Amphiphilen Definition und Eigenschaften der amphiphilen Moleküle Der Fall der quartären Ammoniumsalze Organisation in Mizellen Proteinhydratation Mizellen-Modell Zugänglichkeit für das Lösungsmittel Hydropathie-Index Proteinhydratation und -stabilität Strukturelle Aspekte Externes Wasser (Übersicht Internes Wasser Hydratation der Nukleinsäuren Erste experimentelle Bestimmungen Thermodynamisches Modell Kristalluntersuchungen Schlußfolgerungen Literatur

7 TEIL BIOPOLYMERE ALS POLYELEKTROLYTE Ladungsverteilung. Allgemeine Gesetze Einführung Elektrostatik im Vakuum I Feld und Potential einer Ladung und eines Dipols Gaußsches Theorem und Untersuchung der Verteilungen Divergenz und Poissonsches Gesetz Elektrostatik eines materiellen Mediums I Polarisation und Dielektrizitätskonstanten Wasser als Dielektrikum Grenze zwischen zwei dielektrischen Medien Das Poissonsche Gesetz und seine Konsequenzen Elektrolytlösungen und Debye-Hückel-Theorie Differentialgleichung des Potentials, Annahmen und Näherungen Lösungen und Konsequenzen Elektrostatische Abschirmung Dielektrizitätskonstante des Wassers in der Nähe eines Ions Ionenverteilung Grenzen der Gültigkeit der Debye-Hückel-Theorie Polyelektrolytlösungen Allgemeine Eigenschaften der Polyelektrolyte I Ladungsakkumulation Fluktuationen I. 3 Gegenionen Polyelektrolytkonformation Transportprozesse Folgen der Anwesenheit eines Polyelekirolyten in Lösung Der osmotische Koeflzient Donnan-Gleichgewicht Titrationskurven Modellierung Kontinuierliches Modell Aufstellung der Poisson-Boltzmann-Gleichung Der Fall der geladenen Ebene Der Fall der geladenen Kugel: LinderStrom-Lang-Modell Der Fall des Zylinders: Die geladene Linie Ladungsparameter Debye-Hückel-Näherung Numerische Lösungen Kondensationsmodell (MANNING, 1969) Kondensationskonzept Anwendung des Modells Vergleich zwischen dem Kondensations- und Poisson-Boltzmann-Modell

8 5 Gemischte und diskontinuierliche Modelle Modell von Tanford und Kirkwood (1957) Modell von Honig (1985) Poisson-Boltzmann-Modell der endlichen Differenzen Monte-Carlo-Methode Zelluläre Permeabilität und Ionentransport Einführung Ionenleitfähigkeit Transportmechanismen in Ionenkanälen Elektrochemisches Potential Nernst-Planck-Modell Theorie der Überquerung einer Potentialbarriere Die Funktion einer Ionenpumpe I Protonentransfer Protonen- und Elektronentransfer Theorie von Mitchell Schlußfolgerungen Literatur TEIL ASSOZIATION ZWISCHEN MOLEKÜLEN Allgemeine Bemerkungen Untersuchungen im Gleichgewicht Der Fall von zwei einfachen Moleküle Der Fall eines Liganden A und eines Makromoleküls P I Äquivalente Bindungsstellen Verschiedene Bindungsstellen Bindungsenergie Sperrige Liganden (McGhee-von Hippel, 1974) Die Rolle der Ionen und des ph-werts Kinetische Untersuchungen und vereinfachte Diffusion Einführung Modell Ergebnisse Übergang von einem Modell zum anderen Erkennungsspezifität

9 4 Elemente der Erkennung zwischen Proteinen und Nukleinsäuren Gruppen in Wechselwirkung I Proteine Basen Die Operator-Repressor-Wechselwirkung und das HTH-Motiv Zinkfinger Leucinzipper Das,,Han d-modell" Bildung subzellulärer Strukturen Bildung polymerer Strukturen Transkonformationszyklus Polymerisation am Endpunkt eines Polymeren Kopolymerisation Chromatin und Kern Viren Ribosom Schlußfolgerung Literatur Mathematischer Anhang Berechnung verschiedener Integrale Legendre-Polynome Besselfunktionen Fouriertransformation Wiener-Kintchine-Beziehungen Sachwortverzeichnis

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