Molekulare Biophysik

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.