Vorlesung 4 SWS + 3 Praktikumsversuche -> 9 CPs WS 2012/2013 Biophysikalische Methoden Raum S1330/N3130

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1 Vorlesung 4 SWS + 3 Praktikumsversuche -> 9 CPs WS 2012/2013 Biophysikalische Methoden Raum S1330/N3130 Prof. Dr. Monika Fritz Tel.: Arbeitsgruppe mf@biophysik.uni-bremen.de Reine und Angewandte Biomineralisation Raum O4120 Prof. Dr. Manfred Radmacher Tel.: Arbeitsgruppe mr@biophysik.uni-bremen.de Molekulare Biophysik Raum O4050 Prof. Dr. Hans-Günther Döbereiner Tel.: Arbeitsgruppe hgd@biophysik.uni-bremen.de Zelluläre Biophysik Raum O4040 Prof. Dr. Matthias Günther Tel.: Arbeitsgruppe Matthias.Guenther@mevis.fraunhofer.de Magnetische Kernspinresonanz MEVIS Vorlesung: montags, 12:00h 14:00h Raum S1330 dienstags, 12:00h 14:00h Raum N3130 Vorlesungsunterlagen auf oder jeweilige Dozenten link: Courses Biophysikalische Methoden Passwort: laevigata Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 1

2 Motivation In der Biophysik werden biologische Systeme unterschiedlicher Komplexität und Größe mit physikalischen Methoden beschrieben und untersucht. So gibt es Entwicklungen ganze Teile von Organismen zu untersuchen, wie ganze Organe (etwa mit Kernspintomographie), lebende Zellen (Mikroskopie) oder einzelne, native Moleküle wie Proteine (Einzelmolekülspektroskopie, Kraftmikroskopie) um nur wenige zu nennen. In der Theoretischen Biophysik wird der Ansatz gemacht diese Systeme theoretisch zu beschreiben (z. B. Molekulardynamik-Simulationen). In der Forschung, sowohl an den Universitäten, als auch in der Wirtschaft wird immer mehr interdisziplinäres Wissen erforderlich, um aktuelle Fragestellungen aus der Sicht unterschiedlicher Disziplinen bearbeiten zu können. Diese Vorlesung ist dafür gedacht Studierenden aus der Physik (aber auch beispielsweise der Biologie, den Ingenieurwissenschaften und auch der Mathematik) einen Einstieg in die Biophysik und deren theoretische und experimentelle Methoden zu ermöglichen. Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 2

3 Ablaufplan Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 3

4 Was ist Biophysik? interdisziplinäre Forschungsrichtung Biologie, Physik, Chemie, Medizin Erforschung biologischer Phänomene mit physikalischen Methoden quantitative Beschreibung -> sehr komplexe Systeme experimentell und theoretisch Reduzierung der Systeme Weiterentwicklung von analytischen Methoden, um sie an Fragestellung anzupassen Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 4

5 Diverse Biophysics physics of biological systems Neurophysiology Immunology Cybernetics Developmental Physiology Cell biology Biochemistry Biophysics biotechnology medical physics Biosensors Environmental analytics NMR-Tomography biologically inspired physics Polymerphysics Physics of soft materials Physics of complex fluids Neuronal networks Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 5

6 Physik und Biologie Physics Biology How does it work...? How is it...? One atom, one molecule, one experiment Zillions of different molecules in a single experiment complex multi component systems many degrees of freedom not in thermodynamic equilibrium surfaces macromolecules in aqueous solution molecular interactions (van der Waals, H-bridges, entropy) Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 6 10

7 "Systeme" in der Biologie bewegen sich Keratozyten auf Glas keratocyte-dance-video_3f49a3e1a.html Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 7

8 "Systeme" in der Biologie bewegen sich Amoebe auf Glas VL/GG/chemBonds1.php smaciver/cell%20biol.topics/cell_locomotion.htm Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 8

9 "Systeme" in der Biologie bewegen sich Eutreptiella auf Glas marine Alge VL/GG/chemBonds1.php Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 9

10 "Systeme" in der Biologie teilen sich Teilungsschritte der einzelnen Zellen sind extrem synchron VL/GG/chemBonds1.php Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 10

11 Systeme sind nicht im Gleichgewicht II. Hauptsatz der Thermodynamik Entropie im Universum (Zelle und Umgebung) muss zunehmen Aufrechterhaltung der Ordnung in der Zelle (Energie) -> Wärme wird frei -> Entropie nimmt außerhalb der Zelle zu -> kein Widerspruch zu II. HS S t > 0 Q t > 0 Alberts et al: Molecular Biology of the Cell Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 11

12 Musterbildung From: Meinhardt, Wie Schnecken sich in Schale werfen Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 12

13 Selbstorganisation We: smart assembly of dumb units Mother Nature: self assembly of smart units guided by molecular recognition Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 13

14 Assemblierung einer Virushülle Alberts et al: Molecular Biology of the Cell Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 14

15 Zellmembranen Alberts et al: Molecular Biology of the Cell Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 15

16 Sicht der Physik auf biologische Systeme Quantitative Beschreibung Längenskalen Zeitskalen Energieskalen Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 16

17 Längenskalen Alberts et al: Molecular Biology of the Cell Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 17

18 Zeitskalen s ps erste Ereignisse beim Sehen 10-9 s ns Protein Bewegungen 10-6 s µs Abwickeln der DNA 10-3 s ms Enzym katalysiere Reaktionen s ds Protein Synthese s ks Generationszyklus eines Bakteriums s Ms Lebenszeit einer Katze Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 18

19 Energieskalen thermische Energie kt Molekülrotationen Molekülvibrationen Wasserstoffbrücken ATP Hydrolyse grünes Licht C-C Bindung 25 mev 1 mev 0.25 ev 0.15 ev 0.6 ev 2.5 ev 3.6 ev Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 19

20 Das Zytosol 70 % einer Zelle besteht aus Wasser, oder 30% besteht nicht aus Wasser Crowded cytoplasm. This scale drawing, which shows only the macromolecules, gives a good impression of how crowded the cytoplasm is. RNAs are shown in blue, ribosomes in green and proteins in red. (Adapted from D.S. Goodsell, Trends Biochem. Sci. 16: , 1991.) Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 20

21 "# $%&'()# *+,%)-# $.%'/# "" #$%$&% &$%$$% "L &M%$$ &N%$$% "W $"%$$ $L%$$% A9,+;(X0+7T '()%&*+,-./01,21,345( )/:6+;< '0+67(>>+6(7+9,H "M Z$%[ZZ%$$% "N ZN%[Z]%$$% "] &L%[&W%$Z% L& $Z%[$#%$Z% L$ $]%$Z% Z&%$Z% Biologische Physik von Zellen Hydrodynamik bei kleinen Reynoldszahlen Z &]%&$% $&%&$% b(,6uk.,7/@0 Mechanik und Thermodynamik von Membranen # $W%&$% $M%&$% CcO@0@+,@0 Zellbewegung und aktive Gele Signalwege und Module der Zellbewegung " Z#%&$% Z"%&$% Ablaufplan Lichtmikroskopische Methoden Netzwerke (Proteine, Adern & Venen, Facebook) L #&%[#$%&$% *+,-./01,2A(2,@7+6?/@'@0,6)+,0@69,(,T W &W%[&M%&Z% A(77/+(6K.,7/@0 A(2,@7+6?/@a@69,(,Td)@;7096;9)+@1,3 8+>32@O1,2 M $#%[$"%&Z% 8+>3O@(0O@+71,21,3e(,(>:6@FE,Y@,31,2@, Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 21

22 Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik? 22

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26 Kapitel I -> Moleküle des Lebens Biophysikalische Methoden Kapitel 0 Einführung und Was ist Biophysik?