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Physics - Biophysics & Biological Physics | Molekulare Biophysik

Molekulare Biophysik

Daune, Michel

Übersetzt von Quant, S.

Französische Originalausgabe erschienen bei Interedition Paris 1993

1997, XVII, 546 S.

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ISBN 978-3-540-67046-9

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  • Über dieses Lehrbuch

Dieses Lehrbuch ist interdisziplinär angelegt, denn die Gesetze und Methoden der Physik und der Chemie ermöglichen das Studium der Zellen von Pflanzen und Tieren auf molekularer Ebene. Der Autor schafft eine Basis, die Biophysik der belebten Welt durch die schrittweise Betrachtung von Konformation, Dynamik, Hydratation, Eigenschaften der Polyelektrolyte und der Assoziation der Biopolymere zu verstehen. Jeder der Teile wird durch einen Literaturanhang ergänzt. Die mathematischen Herleitungen von Gesetzmäßigkeiten werden stark beschränkt und eher in vertiefenden Übungen und in einem Anhang eingeübt. Das Buch ist eine Fundgrube für Chemie- und Physikstudenten, die sich mehr Wissen über die molekulare Biochemie und Biophysik aneignen wollen.

Content Level » Lower undergraduate

Stichwörter » 352806689X

Verwandte Fachbereiche » Biophysik und biologische Physik

Inhaltsverzeichnis 

1 Konformation der Biopolymere.- Allgemeine Bemerkungen.- 1 Die Geometrie einer Polymerkette.- 1.1 Der Abstand zwischen den Endpunkten.- 1.2 Der Radius der Kreiselbewegung RG.- 1.3 Einschränkungen durch die Valenzbindung.- 1.4 Das Torsionspotential.- 2 Die intermolekularen Kräfte.- 2.1 Einführung.- 2.2 Der elektrische Ursprung der Wechselwirkungsenergie.- 2.3 Wechselwirkungen zwischen Ladungen und permanenten Dipolen.- 2.3.1 Ion-Ion-Wechselwirkungen.- 2.3.2 Ion-Dipol-Wechselwirkungen.- 2.3.3 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.- 2.4 Induzierte Dipole.- 2.4.1 Ion-Molekül-Wechselwirkung.- 2.4.2 Dipol-Molekül-Wechselwirkung.- 2.4.3 Wechselwirkung zwischen zwei induzierten Dipolen.- 2.5 Formen der potentiellen Energie.- 2.5.1 Allgemeine Übersicht.- 2.5.2 Potentialfunktionen mit Kugelsymmetrie.- 2.6 Die Wasserstoffbrückenbindung.- 2.6.1 Definition der Eigenschaften.- 2.6.2 Geometrie und verzweigte Bindungen.- 2.6.3 Empirisch analytische Potentialgleichung.- 3 Konformationsberechnung.- 3.1 Verbundene Atome.- 3.1.1 Valenzbindung.- 3.1.2 Torsionspotential.- 3.2 Nicht verbundene Atome.- 3.3 Topologische Zwänge.- 3.4 Die Organisation in einer Helix.- 3.5 Konformationeller Übergang von Helix zu Kette.- 3.5.1 Thermodynamischer Bezug.- 3.5.2 Modell des „Reißverschlusses“.- 3.6.3 Matrizenmodell (Zimm und Bragg).- 4 Konformation der Nukleinsäuren.- 4.1 Einführung.- 4.2 Primärstruktur.- 4.3 Die Struktur der Nukleotidkette.- 4.3.1 Die Basen.- 4.3.2 Der Zucker.- 4.3.3 Die Rotationswinkel der Phosphordiesterkette.- 4.4 Die Struktur der Doppelhelix.- 4.4.1 Die kanonischen Formen A und B.- 4.4.2 Die Z-Form.- 4.4.3 Verzerrung und neue Helixparameter.- 4.4.4 Polymorphismus.- 4.5 Eigenschaften zirkulärer DNA.- 4.5.1 Modellierung und Topologie.- 4.5.2 Physikalische Eigenschaften zirkulärer DNA.- 4.5.3 Gelelektrophorese.- 4.6 Polymorphismus und Flexibilität der DNA.- 4.6.1 Die Doppelhelix: „Thema mit Variationen“.- 4.6.2 Flexibilität.- 4.6.3 Übergang Doppelhelix-Einzelstrang.- 4.6.4 B-Z-Übergang.- 4.6.5 Ausbildung einer kreuzförmigen Struktur.- 4.6.6 Tripelhelix und Quadruplex.- 4.6.7 Interkalation.- 4.7 Struktur der Ribonukleinsäuren (RNA).- 4.7.1 Modellierung.- 4.7.2 Dreidimensionale Struktur.- 5 Proteinkonformation.- 5.1 Sequenz.- 5.2 Konformationsparameter der Peptidbindung.- 5.3 Räumliche Anordnung und auftretende Probleme.- 5.4 Analyse bestimmter Sekundärstrukturen.- 5.4.1 ?-Helices.- 5.4.2 Helix 310 und ?-Schleifen.- 5.4.3 Polyprolin-Helices.- 5.4.4 ?-Faltblätter.- 5.5 Vorhersage der Sekundärstruktur.- 5.5.1 Methode von Ramachandran.- 5.5.2 Verwendung von Potentialfunktionen.- 5.5.3 Statistische Vorhersagen.- 5.6 Tertiärstruktur.- 5.6.1 Intramolekulare Wechselwirkungen.- 5.6.2 Faltungskräfte.- 5.6.3 Faltungstheorie.- 5.6.4 Arten der Darstellung.- 5.6.5 Mechanismus der Faltung.- 5.6.6 Beziehung Struktur — Funktion.- Schlußfolgerungen.- Literatur.- 2 Dynamik der Biopolymere.- Allgemeine Bemerkungen.- Intramolekulare Ebene.- Molekulare und intermolekulare Ebene.- 1 Schwankungen um eine Gleichgewichtskonformation.- 1.1 Modell des harmonischen Oszillators.- 1.1.1 Form der „Potentialquelle“.- 1.1.2 Fall der starken Dämpfung.- 1.1.3 Der Begriff der Anziehung.- 1.2 Gekoppelte Oszillatoren und Normalmoden.- 2 Brownsche Bewegung.- 2.1 Zufallsvariable und Autokorrelationsfunktion.- 2.1.1 Die Zufallsvariable.- 2.1.2 Stochastischer Vorgang.- 2.1.3 Autokorrelationsfunktion.- 2.2 Brownsche Bewegung und Diffusionskonstanten.- 2.2.1 Mathematische Analyse.- 2.2.2 Bezug zu makroskopischen Gesetzen.- 2.3 Die Langevinsche Gleichung.- 2.3.1 Aufstellen der Gleichung.- 2.3.2 Der harmonische Oszillator mit Brownscher Bewegung.- 2.4 Brownsche Bewegung in Anwesenheit externer Kräfte.- 2.4.1 Allgemeine Gleichung eines Transportprozesses.- 2.4.2 Sedimentation.- 2.4.3 Elektrophorese.- 3 Übergang einer Konformation in eine andere oder auch Transkonformation.- 3.1 Kinetik der Transkonformation.- 3.1.1 Transkonformation alleine.- 3.1.2 Diffusionskontrollierte, bimolekulare Reaktion.- 3.2 Chemische Relaxation.- 3.2.1 Prinzip.- 3.2.2 Anwendung auf bimolekulare Reaktionen.- 3.2.3 Mehrstufenreaktionen.- 3.2.4 Übergang Doppelhelix-Einzelstrang.- 3.3 Kinetik des Übergangs Helix-Kette.- 3.4 Überschreiten einer Potentialbarriere.- 3.4.1 Theorie des aktiven Komplexes (Eyring, 1940).- 3.4.2 Theorie von Kramers (1940).- 4 Experimentelle Methoden.- 4.1 Ramanspektroskopie.- 4.1.1 Allgemeines.- 4.1.2 Erste Annäherung.- 4.1.3 Weitergehende Aspekte der Annäherung.- 4.1.4 Ramanresonanz.- 4.2 Fluoreszenzdepolarisation.- 4.2.1 Definitionen und Berechnungen.- 4.2.2 Messungen.- 4.3 Protonenaustausch.- 4.3.1 Einführung.- 4.3.2 Austauschmechanismus.- 4.3.3 Die Nukleinsäuren: Kopplung mit einem Öffnungs-Schließungs-Mechanismus.- 4.3.4 Proteine.- 4.3.5 Austauschtechniken.- 4.4 Strahlen und Temperaturfaktoren.- 4.4.1 Bestimmung und Bedeutung von B.- 4.4.2 Interpretation von B.- 4.4.3 Ergebnisse der molekularen Dynamik.- 4.5 Blitzlichtphotolyse.- 4.5.1. Allgemeines.- 4.5.2 Anwendung auf die Proteindynamik.- 4.6 Unelastische Lichtstreuung.- 4.6.1 Prinzip.- 4.6.2 Berechnung der gestreuten Intensität.- 4.7 Unelastische Neutronendiffusion.- 4.8 Schnelle Kinetiken.- 4.8.1 Blockierter Auslauf (stopped-flow).- 4.8.2 Temperatursprung (T-jump).- 4.8.3 Andere experimentelle Methoden.- 5 Methoden zur Modellierung der intramolekularen Dynamik.- 5.1 Dynamik der Normalmoden.- 5.2 Molekulare Dynamik.- 5.3 Stochastische Dynamik.- 5.4 Schlußfolgerung.- Literatur.- 3 Hydratation der Biopolymere.- Allgemeine Bemerkungen.- 1 Eigenschaften des Wassers.- 1.1 Das Wassermolekül.- 1.2 Das Eis.- 1.2.1 Struktur.- 1.2.2 Gefrierschutzpeptide.- 1.3 Das flüssige Wasser.- 1.3.1 Strukturelle Untersuchungen.- 1.3.2 Modelle von flüssigem Wasser.- 2 Hydrophobe und hydrophile Moleküle.- 2.1 Hydratation hydrophober Gruppen.- 2.2 Ionenhydratation.- 2.2.1 Strukturelle Aspekte.- 2.2.2 Thermodynamischer Aspekt.- 2.2.3 Lyotrope Reihe.- 2.3 Hydratation von Amphiphilen.- 2.3.1 Definition und Eigenschaften der amphiphilen Moleküle.- 2.3.2 Der Fall der quartären Ammoniumsalze.- 2.3.3 Organisation in Mizellen.- 3 Proteinhydratation.- 3.1 Mizellen-Modell.- 3.2 Zugänglichkeit für das Lösungsmittel.- 3.3 Hydropathie-Index.- 3.4 Proteinhydratation und -Stabilität.- 3.5 Strukturelle Aspekte.- 3.5.1 Externes Wasser (Übersicht IX).- 3.5.2 Internes Wasser.- 4 Hydratation der Nukleinsäuren.- 4.1 Erste experimentelle Bestimmungen.- 4.2 Thermodynamisches Modell.- 4.3 Kristalluntersuchungen.- Schlußfolgerungen.- Literatur.- 4 Biopolymere als Polyelektrolyte.- 1 Ladungsverteilung — Allgemeine Gesetze.- 1.1 Einführung.- 1.2 Elektrostatik im Vakuum.- 1.2.1 Feld und Potential einer Ladung und eines Dipols.- 1.2.2 Gaußsches Theorem und Untersuchung der Verteilungen.- 1.2.3 Divergenz und Poissonsches Gesetz.- 1.3 Elektrostatik eines materiellen Mediums.- 1.3.1 Polarisation und Dielektrizitätskonstanten.- 1.3.2 Wasser als Dielektrikum.- 1.3.3 Grenze zwischen zwei dielektrischen Medien.- 1.3.4 Das Poissonsche Gesetz und seine Konsequenzen.- 2 Elektrolytlösungen und Debye-Hückel-Theorie.- 2.1 Differentialgleichung des Potentials, Annahmen und Näherungen.- 2.2 Lösungen und Konsequenzen.- 2.2.1 Elektrostatische Abschirmung.- 2.2.2 Dielektrizitätskonstante des Wassers in der Nähe eines Ions.- 2.2.3 Ionenverteilung.- 2.3 Grenzen der Gültigkeit der Debye-Hückel-Theorie.- Polyelektrolytlösungen.- 3.1 Allgemeine Eigenschaften der Polyelektrolyte.- 3.1.1 Ladungsakkumulation.- 3.1.2 Fluktuationen.- 3.1.3 Gegenionen.- 3.1.4 Polyelektrolytkonformation.- 3.1.5 Transportprozesse.- 3.2 Folgen der Anwesenheit eines Polyelektrolyten in Lösung.- 3.2.1 Der osmotische Koeffizient ?.- 3.2.2 Donnan-Gleichgewicht.- 3.2.3 Titrationskurven.- 3.3 Modellierung.- 4 Kontinuierliches Modell.- 4.1 Aufstellung der Poisson-Boltzmann-Gleichung.- 4.2 Der Fall der geladenen Ebene.- 4.3 Der Fall der geladenen Kugel: Linderstrøm-Lang-Modell.- 4.3 Der Fall des Zylinders: Die geladene Linie.- 4.3.1 Ladungsparameter.- 4.3.2 Debye-Hückel-Näherung.- 4.3.3 Numerische Lösungen.- 4.5 Kondensationsmodell (MANNING, 1969).- 4.5.1 Kondensationskonzept.- 4.5.2 Anwendung des Modells.- 4.6 Vergleich zwischen dem Kondensations — und Poisson-Boltzmann-Modell.- 5 Gemischte und diskontinuierliche Modelle.- 5.1 Modell von Tanford und Kirkwood (1957).- 5.2 Modell von Honig (1985).- 5.3 Poisson-Boltzmann-Modell der endlichen Differenzen.- 5.4 Monte-Carlo-Methode.- 6 Zelluläre Permeabilität und Ionentransport.- 6.1 Einführung.- 6.2 Ionenleitfähigkeit.- 6.3 Transportmechanismen in Ionenkanälen.- 6.3.1 Elektrochemisches Potential.- 6.3.2 Nernst-Planck-Modell.- 6.3 Theorie der Überquerung einer Potentialbarriere.- 6.4 Die Funktion einer Ionenpumpe.- 6.4.1 Protonentransfer.- 6.4.2 Protonen — und Elektronentransfer.- 6.4.4 Theorie von Mitchell.- Schlußfolgerungen.- Literatur.- 5 Assoziation Zwischen Molekülen.- Allgemeine Bemerkungen.- 1 Untersuchungen im Gleichgewicht.- 1.1 Der Fall von zwei einfachen Moleküle.- 1.2 Der Fall eines Liganden A und eines Makromoleküls P.- 1.2.1 äquivalente Bindungsstellen.- 1.2.2 Verschiedene Bindungsstellen.- 1.3 Bindungsenergie.- 1.4 Sperrige Liganden (McGhee-von Hippel, 1974).- 1.5 Die Rolle der Ionen und des pH-Werts.- 2 Kinetische Untersuchungen und vereinfachte Diffusion.- 2.1 Einführung.- 2.2 Modell.- 2.3 Ergebnisse.- 2.4 Übergang von einem Modell zum anderen.- 3 Erkennungsspezifität.- 4 Elemente der Erkennung zwischen Proteinen und Nukleinsäuren.- 4.1 Gruppen in Wechselwirkung.- 4.1.1 Proteine.- 4.1.2 Basen.- 4.2 Die Operator-Repressor-Wechselwirkung und das HTH-Motiv.- 4.3 Zinkfinger.- 4.4 Leucinzipper.- 4.5 Das „Hand-Modell“.- 5 Bildung subzellulärer Strukturen.- 5.1 Bildung polymerer Strukturen.- 5.1.1 Transkonformationszyklus.- 5.1.2 Polymerisation am Endpunkt eines Polymeren.- 5.1.3 Kopolymerisation.- 5.2 Chromatin und Kern.- 5.3 Viren.- 5.4 Ribosom.- Schlußfolgerung.- Literatur.- Mathematischer Anhang.- 1 Berechnung verschiedener Integrale.- 2 Legendre-Polynome.- 3 Besselfunktionen.- 4 Fouriertransformation.- 5 Wiener-Kintchine-Beziehungen.- Sachwortverzeichnis.

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