Einführung in die Biophysik

Transkript

1 Einführung in die Biophysik

2 Quellen Schünemann: Biophysik Cotterill: Biophysik Sackmann: Lehrbuch der Biophysik

3 Versuch einer Annäherung Biophysics is that branch of knowledge that applies the principles of physics and chemistry and the methods of mathematical analysis and computer modeling to understand how biological systems work. Consequently, much effort in biophysics is directed to determining the structure of specific biological molecules and of the larger structures into which they assemble. Some of this effort involves inventing new methods and in building new instruments for viewing these structures.

4 Der rote Faden Kräfte/Potentiale Dynamik Struktur Methoden Funktion

5 Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen

6 Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen

7 Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen

8 Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen

9 Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen

10 Max-Planck-Institut für Biophysik Frankfurt

11 Molekulare Strukturen Proteine Nukleinsäuren Kohlenhydrate Lipide und Membranen Makromolekulare Komplexe Zellen

12 (Bio)physikalische Mechanismen Elektrisches Verhalten von Zellen Proteinfunktion Membranverhalten Proteinfaltung Sinneswahrnehmung

13 Biophysikalische Techniken Elektrophysiologie Hydrodynamik Mikroskopie Spektroskopie Modellierung und Simulation Einzelmolekültechniken

14 Biophysical Journal Biophysical Theory and Modeling Channels, Receptors, and Electrical Signaling Membranes Muscle, Molecular Motors, and Cell Motility Nucleic Acids Photobiophysics Proteins Supramolecular Assemblies Spectroscopy, Imaging, and Other Techniques Cell Biophysics Electrophysiology

15 Biologische Strukturen und Untersuchungsmethoden 1.Strukturprinzipien (Moleküldynamik) 2.Biologische Polymere (Spektroskopie, Kristallographie, Einzelmolekültechniken, Moleküldynamik, Hydrodynamik) 3.Molekulare Motoren (Mikroskopie, Einzelmolekültechniken) 4.Biomembranen (Mikroskopie, Einzelmolekültechniken, Elektrophysiologie) 5.Zellen (Mikroskopie, Elektrophysiologie)

16 Gliederung Größen biologischer Strukturen I. Strukturprinzipien II.Thermodynamische Grundlagen III.Biologische Polymere IV.Biomembranen V.Zellen VI.Techniken und Methoden

17 Grössen biologischer Systeme

18 Wassermolekül 2Å

19 Aminosäure 10Å

20 Protein 50Å

21 Ribosom 250Å

22 Mitochondrium Å=1.5 µm

23 Zelle Å=10 µm

24 I. Strukturprinzipien

25 Struktur Definierte räumliche Anordnung von Untereinheiten (Elementarteilchen, Atome, Moleküle, Organellen...)

26

27 Wodurch feste Anordnung? Kräfte zwischen den Untereinheiten Müssen anziehenden und abstoßenden Charakter haben Müssen konservativ sein

28 Konservative Kräfte Kraft ist konservativ, wenn (Aussagen äquivalent): - die Arbeit vom Weg unabhängig ist - - sie als Gradient eines skalaren Feldes (Potential) darstellbar ist Kraft in einem einfach zusammenhängenden Gebiet definiert ist und dort die partiellen Ableitungen nach den Koordinaten gleich sind Alle fundamentalen Kräfte in der Natur sind konservativ

29

30 Coulomb-Kraft coulomb_kraft coulomb_pot Abstand r

31 Coulomb-Kraft coulomb_kraft coulomb_pot Abstand r

32 Bindungspotential gesamt coulomb_pot born_mayer Potential Abstand

33 Potential kovalenter Bindung coulomb_pot kovalent Abstand

34 Potential Punktladung

35 Potential Dipol exakt

36 Potential Dipol exakt

37 Potential Dipol appr.

38 Lennard-Jones-Potential Abstand

39 Wasserstoff-Brücken 0.4 lj_pot h_bridge Abstand

40 Harmonische Näherung Potential gesamt coulomb_pot born_mayer Parabel Abstand