Biophysikalische Chemie A: Methoden

Transkript

1 Biophysikalische Chemie A: Methoden

2 Modulbeschreibung Das Modul vermittelt Kenntnisse zum Stand der biophysikalischchemischen Forschung anhand ausgewählter Beispiele. Schwerpunkte sind die - Beschreibung und Charakterisierung von Biomolekülen in ihrer Struktur und Dynamik, - die Methoden der biophysikalischen Chemie, - die Modellierung biochemischer Systeme und Prozesse, - Nanomaterialien in biologischer Umgebung und mechanischmedizinische Aspekte von Ersatzmaterialien. Die Studierenden sind in der Lage, einfache biophysikalischchemische Probleme zu bewerten und zu lösen. Grundlegende biophysikalisch-chemische Untersuchungsmethoden sind verstanden und können in ihrer Anwendung von den Studierenden bewertet werden. Die Studierenden sind befähigt, ausgewählte Methoden anzuwenden.

3 Wurzeln der Biophysik - Aristoteles: Mechanik, Metaphysik, Technik - Heraklit: Alles fließt - Anatomie im Römischen Reich - Harvey: 1628, Entdeckung des Blutkreislaufs - G.A. Borelli: De motu animalium 1680; Römische Schule der Iatrophysik ( Iatros = Arzt, menschlicher Köper als mechanische Maschine) - L. Galvani ( ): tierische Elektrizität - Lavosier & Laplace: 1780: Kalorimetrie an Meerschweinchen - Th. Young ( ): physiologische Optik (Keilschrift entziffert) - Julius R. Mayer ( ): Färbung arteriellen & venösen Bluts - H. von Helmholtz ( ): Optik des Sehens, Hörtheorie, Doppelschicht - Pearson, 1892 Begriff Biophysik in The Grammar of Science eingeführt

4 Physikalische Besonderheiten biologischer Systeme Generell gibt es zwei Arten von Systemen: - Das mechanische System Beispiel Uhr voll determiniert. - Das stochastische System Beispiel: chem. Reaktion nur im Mittelwert determiniert. Im biologischen System ist das mechanische Prinzip bis weit in den molekularen Bereich getrieben. - Das biologische System ist ein kybernetisches, kein stochastisches System. - Das biologische System ist hierarchisch geordnet. - Das biologische System ist in Raum und Zeit organisiert. - Das biologische System ist als Ganzes im thermodynamischen Ungleichgewicht - Das biologische System ist bezüglich seiner Umwelt optimiert.

5 Ansatz: Kenntnisse und Fertigkeiten der Physikalischen Chemie übertragen auf biologische Systeme und Prozesse Verknüpfungen mit Analytischer Chemie, insbesondere Spektroskopie, Makromolekularer Chemie, insbesondere der Physikalischen Chemie und Physik der Polymere Inhaltliche Orientierung an Grundlagenlehrbüchern zur Biophysik

6 Vorlesungsinhalte 1. Allgemeine Strukturprinzipien 1.1 Biomoleküle - Nucleinsäuren, - Proteine, - Polysaccharide, - Lipide und Membranen chemischer Aufbau und die wichtigsten Moleküleigenschaften, z.b. Ladungen, Molekülgestalt, Größe, Möglichkeiten der Kristallisation, welche Rolle spielen die Moleküle, welche Methoden sind zur Untersuchung relevant 1.2 Lösungsmittel Wasser Rolle des Wasser als Lösungsmittel, polarer Charakter, H-Brücke 1.3 Intermolekulare Wechselwirkungen bestimmen Gestalt der Moleküle und spezifische Interaktionen Diskussion der verschiedenen WW., dabei besonders: ionische WW. (Debye-Hückel) und hydrophobe WW. Beispiel: Konformation von Polyelektrolyten als Funktion von Polymer- und Salzkonzentration 1.4 Struktur und Dynamik verschiedene Möglichkeiten der Bewegungen (lokale Bewegungen, Bewegungen von Sekundärstrukturen), Diskussion von Transportprozessen am Beispiel des O2- Transports 1.5 Reversible Strukturbildung konkretes Beispiel und Einsatz verschiedener Methoden

7 2. Membranen 2.1 Klassifizierung von Lipiden welche Oberfläche wird aufgebaut (Mizelle, Vesikel, Membran) 2.2 Polymorphie, lyotrope Phasen 2.3 Physikalische Chemie der Oberfläche Oberflächenenergie, -entropie, Langmuir-Blodgett 2.4 Transport durch eine Membran Osmose (Blutplasma), Dialyse und Bindungsgleichgewichte, Donnan-Potential, Ionentransport, Proteintransport durch Membran, Membranpotential, Nervenleitung, Aktionspotential, Kopplung Nervenzelle MOS-FET 3. Thermische Effekte 3.1 Grundlagen der thermischen Analyse Thermodynamik und mechanische Arbeit, Phasenumwandlungen 1. und 2. Art, Signale bei DTA/DSC 3.2 Isotherme Titration Bestimmung von Bindungswärmen, Ligand - Protein 3.3 Konformationsumwandlung mit DSC 3.4 Weitere Anwendungen der Thermische Analyse Reinheit, Polymorphie, Stabilität, Stoffabgabe 4. Größe von Molekülen Überblick über die verschiedenen Methoden mit einigen Beispielen

8 5. Strukturaufklärung 5.1 Streumethoden (Röntgen, Licht, Neutronen) typische Dimensionen, Kontrast, Techniken im Vergleich, Konformation und Morphologie, Proteinkristallographie, Beispiele 5.2 Mikroskopie (optische/fluoreszens-mikroskopie, TEM, AFM) Prinzipien, Kontrastierung, Energieauflösung, Einzelmolekül-Abbildung, Beispiele 5.3 sonstige Methoden NMR, IR, Wechselwirkungs- und Kraftmessungen, optical tweezers 6. Oberflächen 6.1 Oberflächenanalytik AFM, Benetzung, Ellipsometrie, XPS, Streuung 6.2 Modifizierung von Oberflächen (Bioverträglichkeit) Funktionalisierung, Polymerschichten und -bürsten, strukturierte Oberflächen 7. Bionik - Technik nach dem Vorbild der Natur Prinzipien der Bionik; Beispiele von Konstruktionsprinzipien aus der Natur (Wabenstruktur, selbst-reinigende Oberflächen...), mechanische bzw. physikochemische Realisierung 8. Biosensorik Funktionsweise von Sensoren; Prinzipien, Beispiele (ph-sensorik, Protein- Adsorption...), molekulare Erkennung, Nano-Sensoren, Protein-Arrays, Lab-on-the-chip

9 Allgemeines 14 Vorlesungen im WS und 5 Vorlesungen im SS. weitere 1 Vorlesung im SS zur Wiederholung und 1 Vorlesung für Klausur bzw. dem Prüfungsgespräch. Im SS auch Praktikum bzw. Seminar im Umfang von 15 Stunden in kleinen Gruppen. Bücher R. Winter, F. Noll, Methoden der Biophysikalischen Chemie (Teubner,1998) V. Schünemann, Biophysik (Springer, 2004) T. Engel, G. Drobny, P. Reid, Physical Chemistry for the Life Sciences (Pearson Internat. Ed., 2008) Physics Meets Biology, Lecture Notes 35th Spring School 2004, Inst. Solid State Research, Forschungszentrum Jülich B. Nölting, Methods in Modern Biophysics (Springer, 2004) D. Sheeham, Physical Biochemistry (Wiley, 2000) R. Glaser, Biophysik (UTB 1986) T. Ackermann, Physikalische Biochemie (Springer, 1992) W. Nachtigal, Bionik (Springer, 2002) W. Nachtigall, K.G. Blüchel, Bionik (DVA, 2000) R. Hobbie, B.J. Roth, Intermediate Physics for Medicine and Biology (Springer, 2007)