Lehrbuch der Biophysik (eBook)

Cover 1
Title Page 5
Copyright Page 6
Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort zur ersten Auflage 23
Vorwort zur zweiten Auflage 25
Häufig verwendete Symbole 27
Abkürzungen 29
Teil I Einleitung 33
Einleitung 35
Zu diesem Buch 35
Über den Inhalt 36
1 Eine Einführung in das Studium der Biophysik 39
1.1 Woher kommt und wozu treiben wir Biophysik 39
1.2 Eine kurze Geschichte der Biologischen Physik 41
1.3 Leben als Zusammenspiel von Genetik und Physik 46
1.3.1 Die Erfindung der molekularen Elektronenspeicher 47
1.3.2 Selbstorganisation smarter Moleküle durch richtungsabhängige zwischenmolekulare Kräfte 47
1.3.3 Der Muskel als Musterbeispiel der hierarchischen Struktur biologischer Materie 49
1.3.4 Biomineralisierung als Prototyp der Selbstorganisation biologischer Materie 50
1.3.5 Skalengesetze der Physik als Konstruktionsprinzip 52
1.3.6 Die Natur als Konstrukteur 53
Literatur 57
Teil II Einführung in die Zellbiophysik 59
2 Die Zelle 61
2.1 Die Zelle als dicht gepacktes, kolloidales System aus funktionellen Untereinheiten 61
2.2 Die funktionellen Kompartimente (Organellen) der Zelle 65
2.3 Wie neue Zellen entstehen 70
2.4 Der Zellzyklus 72
Literatur 73
3 Einführung in die Thermodynamik 75
3.1 Phänomenologische Thermodynamik 76
3.1.1 Thermodynamische Potentiale 79
3.1.2 Thermodynamische Gleichgewichte 83
3.2 Ein statistischer Zugang zur Wärmelehre 87
3.2.1 Die Unterscheidung zwischen Mikro- und Makrozuständen 87
3.2.2 Abgeschlossene Systeme ohne Materialaustausch: die kanonischeGesamtheit 88
3.2.3 Reale Gase: Die Van-der-Waals-Gleichung 92
3.2.4 Der Entropiebegriff für Mikrozustände 93
3.2.5 Systeme mit Teilchenaustausch: Die großkanonische Gesamtheit 94
3.2.6 Chemische Potentiale in verdünnten Lösungen 97
3.2.7 Der osmotische Druck 100
3.2.8 Die Verteilung einer Substanz zwischen zwei Phasen 102
3.2.9 Chemische Reaktionen 104
3.2.10 Diffusion 106
Anhang 3A: Die Methode der Kreisprozesse zur Herleitung der Entropie 107
Anhang 3B: Herleitung der Zustandsgleichung eines idealen Gases im Rahmen der statistischen Mechanik 107
Anhang 3C: Herleitung der Gibbs-Duhem-Beziehung 110
Literatur 110
4 Biologisch essentielle physikochemische Reaktionen 113
4.1 Das Säure-Base-Gleichgewicht 113
4.1.1 Die Stärke von Säuren und Basen: Der pH-Wert wässriger Lösungen 116
4.1.2 Das Säure-Base-Gleichgewicht in Gegenwart von Salzen (Pufferwirkung) 118
4.2 Reaktionen mit Elektronentransfer (Redoxreaktionen) 120
4.2.1 Zwischenspeicherung freier Elektronen 120
4.2.2 Redoxreaktionen 121
4.2.3 Das Redoxpotential 122
Weiterführende Literatur 125
5 Wichtige Bausteine lebender Systeme und deren Polymerisation 127
5.1 Die Aminosäuren und ihre Polymere 128
5.1.1 Die Polyaminosäuren (Proteine) 130
5.2 Die Purin- und Pyrimidinbasen 132
5.2.1 Nukleoside und Nukleotide 133
5.2.2 Polynukleotide 134
5.3 Zucker als Energiespeicher, Strukturelemente und molekulare Erkennungsgruppen 136
5.4 Der Träger der biologischen Energie: ATP 140
5.5 Lipide sind Grundbausteine der Biomembranen und Langzeitspeicher für Energie 141
Anhang 5A: Chemische Strukturformeln 147
Literatur 148
6 Physikalische Eigenschaften von Proteinen 149
6.1 Grundlegendes zur Struktur der Proteine 149
6.2 PhysikalischeWechselwirkungen in und zwischen Proteinen 154
6.2.1 Kovalente Bindungen 154
6.2.2 Veränderung der Bindungswinkel 155
6.2.3 Rotation um kovalente Bindungen 155
6.2.4 Sterische Abstoßung 156
6.2.5 Die Geometrie der Peptidbindung und das Ramachandran-Diagramm 157
6.3 Elektrostatische Wechselwirkungen 159
6.3.1 Punktladungen in Dielektrika 159
6.3.2 Bornsche Selbstenergie 160
6.3.3 Punktladungen in Elektrolytlösungen 161
6.3.4 Dipolare oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen 167
6.4 Wasserstoffbrückenbindungen 171
6.5 Die hydrophobeWechselwirkung 172
6.6 Dehydratisierungskräfte 177
6.7 Depletion forces: Eine durch Makromoleküle vermittelte Wechselwirkung 178
6.8 Freie-Volumen-Effekte in Lösungen vieler Komponenten (molecular crowding) 180
6.8.1 Gelpermeationschromatographie als Bewegung in einem „gefüllten“ Volumen 182
6.8.2 Chemische Reaktionen und Aktivitätskoeffizienten in Lösungen mit geringem freiem Volumen 184
Anhang 6A: Visualisierung von Molekülstrukturen 187
Anhang 6B: Die Theorie der skalierten Partikel – ein analytisches Modell zur Berechnung des zugänglichen Volumens in gefüllten Lösungen 187
Literatur 189
7 Faltung, Konformationsumwandlungen und -fluktuationen von Proteinen 193
7.1 Proteinfaltung 193
7.1.1 Der Phasenraum der Proteinfaltung 196
7.1.2 Thermisch getriebene Passage über energetische Barrieren 197
7.1.3 Theorie des Übergangszustands 198
7.1.4 Theorie von Kramers 199
7.1.5 Die Proteinfaltung wird durch lokale und nichtlokale Wechselwirkungen bestimmt 203
7.1.6 Mehrere kinetisch verknüpfte Minima im Trichter 209
7.1.7 Tiefe kinetische Fallen 211
7.2 Elemente der Sekundärstruktur, Faltung aufgrund lokaler Wechselwirkungen und Konformationsumwandlungen 213
7.2.1 Kooperative Konformationsumwandlungen: Das Reißverschlussmodell 214
7.2.2 Schmelzen von DNA 219
7.2.3 Die Kooperativität von Umwandlungen als chemisches Gleichgewicht 223
7.2.4 Kooperativität bei der Ligandenbindung: Der Hill-Koeffizient 225
7.2.5 Vorhersage der Sekundärstrukturen von Proteinen 230
7.3 Die Dynamik von Biomakromolekülen 232
7.3.1 Die Simulation von Proteinstrukturen 232
7.3.2 Die Dynamik von Proteinen bei tiefen Temperaturen 238
Anhang 7A: Eine genauere Betrachtung der Theorie des Übergangszustands 243
Anhang 7B: Ergänzung zur Kramers-Theorie der Reaktionsrate 246
Anhang 7C: Der Verlet-Algorithmus zur Integration der Zeitschritte in klassischen Molekulardynamiksimulationen 247
Literatur 248
8 Molekulare Erkennung 253
8.1 Das Konzept der spezifischen Bindung 253
8.1.1 Strategien zur Erzielung hoher Spezifität 255
8.1.2 Beispiele für spezifische Bindungen 257
8.2 Mechanisches Brechen spezifischer Bindungen 261
8.2.1 Exkurs: Die mechanische Stabilität der Proteinfaltung 269
8.2.2 Mechanisches Brechen der Basenpaarung in DNA 273
8.3 Thermisch fluktuierende Federn: Der Brownsche Oszillator 275
Literaturs 281
Teil III Biologische Membranen 285
9 Molekulare Architektur und Funktionen biologischer Membranen 287
9.1 Weshalb Physiker sich für biologische Membranen interessieren sollten 287
9.2 Mikroanatomie biologischer Verbundmembranen: Erythrozyten 288
9.3 Die molekulare Architektur biologischer Membranen 293
9.3.1 Membranen als Multikomponenten-Lipidlegierungen: Das Lipidom 293
9.3.2 Zur Verteilung der Lipide zwischen den Kompartimenten: Ein Weg zur Spezialisierung biologischer Membranen 295
9.3.3 Die vier Klassen der Membranproteine: Ein Überblick 297
9.4 Der Aufbau elektrischer Potentiale durch molekulare Pumpen und Ionentransporter 300
9.4.1 Mechanismus des Ionentransports durch P-Typ-ATPasen 302
9.4.2 Zur Energetik der Pumpen 303
9.5 Ein kurzes Intermezzo über die Biosynthese der Membranen 304
9.5.1 Proteintransfer in Mitochondrien 306
9.6 Intrazellulärer Transport durch Vesikel schafft Ordnung in den Zellen 308
9.7 Eisenimport durch clathrinummantelte Vesikel 310
9.8 Signalübertragung und Signalverstärkung an Membranen 311
9.9 Die Photonenempfänger der Augen funktionieren nach dem Prinzip der Hormonverstärker 313
9.10 Signalübertragung und Signalverstärkung durch Rezeptor-Tyrosinkinasen 319
9.11 Die molekularen GTPase-Schalter und ihre Helferproteine (GEF, GDI, GAP) 321
9.12 Über ein hyperbolisches Gesetz der Hormonwirkung und die Effizienz diffusionsbestimmter Reaktionen in zwei Dimensionen 322
Literatur 324
10 Selbstorganisation, Phasenumwandlungen und Dynamik biologischer Membranen 327
10.1 Selbstorganisation und lyotroper Polymorphismus von Lipiden in Wasser: Einschalige Vesikel als Nullmodell biologischer Membranen 328
10.1.1 Der hydrophobe Effekt bestimmt die Selbstorganisation und Stabilität der Zellmembranen 330
10.2 Thermisch und elektrisch induzierte strukturelle Phasenumwandlungen von Membranen 332
10.2.1 Thermotrope Phasenumwandlungen von Membranen 332
10.2.2 Zur Kontrolle der Phasenumwandlung und deren Bedeutung für das Überleben der Zellen 334
10.2.3 Membranen als geladene Grenzflächen: Ladungsinduzierte Phasenumwandlungen 336
10.3 Molekularstatistische Modelle der thermotropen Phasenumwandlung 338
10.3.1 Das Kinkenmodell des Kettenschmelzens 338
10.3.2 Charakterisierung der flüssigkristallinen Ordnung der Membranen 339
10.3.3 Theoretische Modelle der Phasenumwandlung 341
10.4 Die Hierarchie dynamischer Membranprozesse 342
10.5 Membranen als Flüssigkeiten zwischen zwei und drei Dimensionen 344
10.6 Dynamische Schaltung funktioneller Proteine durch elektrostatisch-hydrophobe Rekrutierung an Membranen 350
10.7 MARCKS: Ein Beispiel für die elektrostatisch-hydrophobe Membranbindung von Proteinen 351
10.8 Durch selektive Lipidanker vermittelte Membrankopplung und interaktive Kopplung der Enzyme 354
Anhang 10A: Die Abschätzung von Bindungsenergien aus absoluten Gleichgewichtskonstanten 357
Literatur 358
11 Membranen als semiflexible elastische Schalen 363
11.1 Einführung in die Grundlagen der Elastizität weicher Schalen 363
11.2 Die Formenvielfalt biologischer Schalen als Minimalflächen der elastischen Energie 369
11.3 Lokale Modulation und Stabilisierung der Formen durch Kopplung zwischen Zytoskelett und Membran 372
11.3.1 Erythrozyten: Wunderwerke der mechanischen Konstruktion 374
11.4 Membranen als statistische Flächen, Membranflackern und Ondulationskräfte 375
11.4.1 Fourier-Spektroskopie der Biegefluktuationen 376
11.4.2 Entropische Spannungen und durch Ondulationskräfte spannungsinduzierte Zelladhäsion 377
11.4.3 Die Persistenzlänge semiflexibler Membranen 381
11.5 Die aktiv getriebene Oberflächenrauigkeit der Zellen 382
11.5.1 Zur biologischen Bedeutung der Ondulationen 383
Literatur 384
12 Thermomechanische Prinzipien der Strukturierung und Funktion biologischer Membranen 387
12.1 Einleitung: Warum müssen wir uns mit Phasendiagrammen von Lipidlegierungen befassen? 387
12.2 Die Thermodynamik von Lipidmischungen 389
12.3 Die Verteilung von Lipiden und Proteinen durch das Prinzip der hydrophoben Längenadaption 395
12.3.1 Durch Lipide vermittelte Protein-Protein-Wechselwirkungen 397
12.4 Membrandefekte als Modulatoren biochemischer Reaktionen 400
12.5 Materialimport (Endozytose) und intrazelluläre Verteilung durch Transportvesikel (Endosomen) 402
12.5.1 Die clathringesteuerte Endozytose 403
12.5.2 Die caveolinvermittelte Endozytose 405
12.5.3 Knospung und Verarbeitung der vom trans-Golgi-Apparat abspaltenden Endosomen 405
12.6 Vesikelfission durch Zusammenspiel von Mechanoenzymen mit Regulatoren der lipidgesteuerten Membrandestabilisierung 409
12.6.1 Vorbemerkung 409
12.6.2 Zwei Mechanismen der Vesikelfission 410
12.7 Membranfusion als spannungsgetriebene Membraninstabilität 412
Anhang 12A: Die geometrische Konstruktion von Phasendiagrammen 416
Anhang 12B: Endozytose und intrazelluläre Sortierung und Umverteilung der Lipide und Proteine 419
Anhang 12C: Rab-vermittelter Vesikeltransfer zwischen intrazellulären Kompartimenten: Ein Beispiel 421
Literatur 422
13 Zelladhäsion als Wechselspiel spezifischer, universeller und elastischer Kräfte 427
13.1 Einleitung 427
13.2 Modellsysteme liefern Einblicke in die Physik der Adhäsion 430
13.3 Die Zelladhäsion als Benetzungsübergang erster Ordnung 434
13.4 Modulation der Zelladhäsion durch externe Kräfte 437
13.5 Zelladhäsion in extrazellulären Polymernetzwerken 438
13.6 Stimulation der T-Lymphozyten durch Adhäsion auf antigenpräsentierenden Zellen (APZ) 441
13.7 Adhäsionsdomänen als Reaktionszentren derLymphozyten-Stimulation 443
13.8 Über die durch Adhäsion vermittelte globalePolarisierung der T-Zellen 445
Anhang 13A: Klassifizierung der Zellrezeptoren 447
Literatur 450
Teil IV Biophysik der Nervenleitung 453
14 Physiologie und Elektrostatik der Nervenleitung 455
14.1 Das Nervensystem und die Phänomenologie der Nervenleitung 455
14.1.1 Signalübertragung an den Synapsen durch Signalmoleküle 458
14.2 Elektrostatik der Nervenleitung 460
14.2.1 Das elektrische Membranpotential: Ein Überblick 460
14.2.2 Wie elektrochemische Potentiale Ionenströme durch passive Membranen treiben 463
14.2.3 Das Plancksche Diffusionspotential 465
14.2.4 Das Donnan-Potential 465
14.2.5 Die Goldman-Gleichung des stationären Membranpotentials (Ruhepotentials) 466
14.2.6 Das stationäre Potential Vss 468
14.2.7 Das Ruhepotential des Tintenfisch-Axons bestätigt die Goldman-Gleichung 469
14.2.8 Zur Strombilanz: Die Balance zwischen aktiven und passiven Strömen 471
14.3 Myelinbildung durch Kontrolle der Zelladhäsion 471
14.4 Steuerung des gerichteten Wachstums der Axone durch Zell-Zell-Kontakte 474
Appendix 14A: Adhäsionskontrollierte Wegfindung von Axonen 476
Literatur 478
15 Elektrodynamik der Nervenerregung 481
15.1 Die Erregung der Nervenmembran: Das Aktionspotential 481
15.1.1 Beobachtung der Aktionspotentiale mit Fluoreszenzsonden und Transistoren 482
15.2 Der Äquivalenzschaltkreis erregbarer Membranen 484
15.3 Fundamentale Experimente der Neurophysik 486
15.3.1 Analyse der Ionenströme durch Variation der Elektrolytkonzentration 486
15.3.2 Trennung der Ionenströme durch Anwendung von Kanalblockern 487
15.3.3 Einzelkanalmessungen mit Patch-Clamp-Technik 488
15.3.4 Neuronen können nicht beliebig schnell feuern: Die Refraktärphase 488
15.3.5 Einschalten des Aktionspotentials durch einen Verschiebungsstrom: Elektro-elastische Schaltprozesse 488
15.4 Die Huxley-Hodgkin-Gleichungen 490
15.5 Molekulare Mechanismen des Ionentransports durch Kationenkanäle 494
15.6 Der molekulare Mechanismus der Signalübertragung an Synapsen und Axonhügeln 496
15.7 Kinetik und Statistik des Ionentransports durch Membranen 501
15.7.1 Der Mechanismus des Ionentransports durch Ionophore und Antibiotika 501
15.7.2 Spannungssprungexperimente 503
15.7.3 Fourier-Spektroskopie der Stromfluktuation 505
Anhang 15A: Ein thermodynamisches Modell elektrisch und chemisch gesteuerter kooperativer Prozesse 508
Literatur 512
16 Axonmodelle und die Signalfortpflanzung in Axonen 513
16.1 Nervenleiter als Koaxialkabel mit diffusivem Signaltransport 513
16.2 Die Huxley-Hodgkin-Gleichung und die Ausbreitung aktiver Aktionspotentiale 516
16.3 Zur Beschleunigung der Signalfortpflanzung erfand die Natur die Myelinhülle 517
16.4 Das Fitzhugh-Nagumo-Modell der Nervenerregung 519
16.5 Die Beziehung der Nervenleitung zum Van-der-Pol-Oszillator 523
16.6 Realisierung des Fitzhugh-Modells durch Tunneldioden 525
Literatur 529
Teil V Biophysik der Zellen und Makromoleküle 531
17 Biorhythmik durch Synchronisation selbsterregender Oszillatoren 533
17.1 Ein lebenswichtiges Beispiel: Die Steuerung der Herzkontraktion 534
17.2 Abnormale Rhythmen: Herzrhythmusstörung und Herzblock 536
17.3 Zellkulturen als Herzmodelle 537
17.4 Mechanische Synchronisation rhythmisch schlagender Muskelzellen 539
17.5 Periodische Erregung und Synchronisation des Van-der-Pol-Generators 542
Literatur 544
18 Mikroanatomie und Funktion des Zytoskeletts 545
18.1 Zur Struktur und Biochemie der Grundbausteine 545
18.1.1 Aktinfilamente sind reversibel polymerisierbare Polymere 545
18.1.2 Mikrotubuli als reversibel wachsende und schrumpfende Nanoröhren 548
18.1.3 Die Intermediärfilamente 550
18.2 Aktinbindeproteine regulieren den dynamischen Umbau der Aktinnetzwerke 551
18.3 Aktinbindeproteine als Regulatoren des aktinbasierten Zytoskeletts 552
18.4 Regulation der dynamischen Instabilität der Mikrotubuli über die mechanische Verspannung der Protofilamente 555
18.5 Antrieb der Zellmigration durch sequentielle solitäre Aktin-Polymerisationswellen 557
18.5.1 Phänomenologie der Zellbewegung 557
18.5.2 Das Tretmühlenmodell des sequentiellen Vorschubs der Pseudopodien 559
18.6 Filopodien und Cilien: Kundschafter und Fangarme der Zellen 562
18.6.1 Dynamisches Wachstum und stationärer Zustand der krafterzeugenden Filopodien 564
18.6.2 Die Mikromechanik des Beutefangs und das Einfangen von Pathogenen 567
18.6.3 Zusammenfassung und Ausblick 569
Anhang 18A: Kontrolle der Schrittweite der solitären Polymerisationsimpulse: PI-3K als Hauptschalter 570
Anhang 18B: Die Bewegung von Listeria monocytogenes durch Wirtszellen 571
Literatur 572
19 Molekulare Linearmotoren der Zellen 575
19.1 Die Motoren der Myosinfamilie 575
19.2 Der molekulare Mechanismus der Krafterzeugung: Prozessivität und Tastverhältnis 577
19.3 Mikrotubuliassoziierte Motoren der Kinesin- und Dyneinfamilien 580
19.3.1 Die Kinesinfamilie: Funktionelle Vielfalt durch Isomerenbildung 580
19.3.2 Der Dyneinmotor: Funktionelle Vielfalt durch Regulatoren 582
19.3.3 Konditionierung der Dyneinmotoren 583
19.3.4 Das Tauziehen zwischen Kinesin und Dynein 584
19.4 Kraftspektroskopie der Myosinmotoren mit optischen Pinzetten 585
19.5 Theoretische Beschreibungen der Linearmotoren 588
19.6 Myosin X: Ein Motorkomplex, der Aktin und Mikrotubuli koppelt 590
Literatur 591
20 Der Muskel: Anatomie und Phänomenologie der Funktion 593
20.1 Morphologie des Muskels: Der Muskel als Anordnung parallel geschalteter Linearmotoren 593
20.2 Das Querbrückenmodell der Muskelkontraktion 594
20.3 Thermomechanik der Muskelkontraktion: Die Hill-Gleichung 595
20.4 Zur Energieversorgung der Muskeln 600
20.5 Ca2+-Impulse triggern die Muskelkontraktion 600
20.6 Costamere: Zentren der filaminvermittelten Kraftübertragung zwischen Muskeln und Gewebe 601
Literatur 606
21 Protonengetriebene Rotationsmotoren 609
21.1 Mikroanatomie des Rotationsmotors 611
21.2 Phänomenologie und Effizienz protonengetriebener Motoren 612
21.2.1 Die Nanostrukturen von Rotor und Stator 613
21.2.2 Messung der Drehmomente 615
21.2.3 Messung des Arbeitsverhältnisses 615
21.3 Molekulare Modelle des bakteriellen Rotationsmotors 616
21.4 Bakterien besitzen Sensoren für chemotaktische Gradienten 618
21.5 Umschlag der Drehrichtung durch Festkörperumwandlung der Flagellen 622
Literatur 625
22 Leben bei kleinen Reynolds-Zahlen: Krafterzeugung durch Flagellen und Cilien 627
22.1 Das Gleitmodell der Cilienbewegung 628
22.2 Die Bewegungsmoden der Flagellen und Cilien bestimmen die Funktion der Antriebselemente 629
22.3 Wie Bakterien und Spermien sich durchs Wasser schrauben und Cilien ihre Bewegung koordinieren 631
22.3.1 Mechanismen des Materialtransports durch synchronisierte Schlagbewegungen der Cilien 633
Literatur 635
23 Makromoleküle des extrazellulären Raums 637
23.1 Gewebe als Verbundmaterial aus Zellen und Makromolekülen 637
23.2 Cellulose als Schutzhülle der Pflanzenzellen 640
23.3 Der Glaskörper des Auges als lebenswichtiges Beispiel einer Gel-Sol-Koexistenz 640
23.4 Verbindungen zwischen Zellen: Die Grenzen der Organe und die Blut-Hirn-Schranke 641
23.5 Stabilisierung von Pflanzen und Bäumen durch Faserverstärkung 642
23.6 Mechanische Stabilität biologischer Nanokomposite: Das Griffith-Kriterium 645
23.7 Epilog und Perspektiven 647
Literatur 648
24 Physik flexibler Makromoleküle: Vom Einzelmolekül zur Lösung 649
24.1 Von der Gaußschen Kette zu wurmartigen Polymeren oder: Von universellen zu spezifischen Eigenschaften 650
24.2 Das Flory-Modell des ausgeschlossenen Volumens 653
24.3 Die Persistenzlänge als Maß für die Kettensteifigkeit semiflexibler Polymere 654
24.4 Die Struktur makromolekularer Lösungen 656
24.5 Thermodynamik von makromolekularen Lösungen und Polyelektrolyten 658
24.6 Phasentrennung in Polymerlösungen 660
24.7 Der osmotische Druck und der Dampfdruck makromolekularer Lösungen 661
24.8 Ladungskondensation und Kettenversteifung geladener Polymere 663
24.9 Der elektro-osmotische Zusatzdruck von geladenen Polymeren 665
Anhang 24A: Der elektrostatische Beitrag zum Virialkoeffizienten geladener Makromoleküle 666
Anhang 24B: Häufig benutzte Symbole 667
Literatur 667
25 Molekulare Dynamik und Elastizität semiflexibler Filamente 669
25.1 Einzelfilamentdynamik und Elastizität semiflexibler Filamente 670
25.2 Messung der Biegesteifigkeit, der Rauigkeit und der Verhedderungslänge semiflexibler Filamente 671
25.3 Die anisotrope Federkonstante semiflexibler Filamente 673
25.4 Relaxationszeiten der thermischen Anregungen 674
Literatur 675
26 Viskoelastizität homogener Netzwerke und Gele 677
26.1 Das Prinzip der Viskoelastizität und was wir daraus lernen können 677
26.1.1 Kontinuumsmechanische Konzepte und Methoden der Rheometrie 679
26.1.2 Grundlagen der Relaxationsexperimente 680
26.1.3 Grundlagen der Impedanzspektroskopie 681
26.2 Konzepte und Methoden der Nanorheometrie 683
26.3 Die viskoelastische Impedanz verschlaufter und schwach verknoteter Netzwerke des Aktins 685
Anhang 26A: Quantifizierung der mechanischen Belastbarkeit biologischer und biotechnischer Materialien 688
Literatur 693
27 Physik und Funktion von Gelen: Zwischen Festkörper und Flüssigkeit 695
27.1 Homogene Gele: Musterbeispiele für gummielastische Netzwerke 696
27.2 Die Gummielastizität verknoteter semiflexibler Netzwerke 697
27.3 Kontrolle der Filamentsteifigkeit durch Bündelbildung 698
27.4 Die Bildung heterogener Gele als Perkolationsprozess 699
27.5 Der Perkolationsübergang in Aktinnetzwerken 701
27.6 Nichtlineare Viskoelastizität – Scherversteifung und Grenzen der Stabilität 704
27.7 Viskoelastizität und Sol-Gel-Übergänge aktiver Aktin-Myosin-Netzwerke 704
27.8 Selbstorganisation des Zytoskeletts in Riesenvesikeln: Auf dem Weg zu mechanischen Zellmodellen 708
Literatur 709
28 Zellen als Mechanosensoren und chemomechanische Aktuatoren 711
28.1 Einleitung: Das Schalen-Seil-Modell der Zelle 711
28.2 Das Endothelium als aktive semipermeable Barriere für weiße Blutzellen 714
28.3 Hormoninduzierte Steuerung des zellulären Spannungszustands 717
28.4 Richtungssensitive Spannungssensoren kontrollieren die Adhäsion der Endothelzellen 721
28.4.1 Die physiologische Bedeutung des richtungsabhängigen Spannungssensors 725
28.5 Adhäsionsdomänen als biochemische Relaisstationen und Kraftzentren des Zellvorschubs: Logistisch gesteuerte Selbstorganisation 727
28.5.1 Ein Modell der Schubkraft-erzeugenden Polymerisationsmaschine 729
28.6 Lokale und globale Kontrolle der Zellbewegung durch den raumzeitlichen Rac-Rho-Antagonismus 730
28.6.1 Logistische raumzeitliche Schaltung der GTPasen 730
28.6.2 Mechanische Kontrolle durch dehnungssensitive Adaptoren (Cas und Crk) und das Aktinbindeprotein Filamin 732
28.6.3 Dynamische Orchestrierung der gerichteten Zellbewegung durch Mikrotubuli 733
28.6.4 Ein Modell der Retraktion von Zentrosom und Kern 735
28.6.5 Kontrolle der Zellpolarisierung durch den Ca2+-sensitiven MT-Aktin-Koppler IQGAP 735
28.7 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Perspektiven 736
Anhang 28A: Spannungssensitive Adaptoren und Gerüstproteine 738
Anhang 28B: Inhibition der RhoA-Aktivität an der Zellfront durch sekundäre Adhäsionsdomänen 739
Anhang 28C: Die Aktin-Membrankoppler: Ezrin, Moesin, Radixin, Talin, Kindlin, Merlin 739
Literatur 740
29 Mikromechanik und Spannungshomöostase der Zellen 745
29.1 Mikromechanische Methoden zur Messung elastischer Impedanzen der Zellschalen 745
29.1.1 Die Kartierung des Kraftfelds 748
29.2 Messung der Wechselwirkung zwischen Zelle und Substrat durch Kraftfeldmikroskopie 750
29.3 Spannungshomöostase der Zellen und Zelldifferenzierung 754
29.3.1 Das Kraftdipolmodell der Zell-Gewebe-Kopplung 756
29.3.2 Ein molekulares Modell des Mechanoregulators der Spannungshomöostase 758
29.4 Erkundung des zytoplasmatischen Raums durch Verfolgung artifizieller Endosomen 759
Anhang 29A: Die Rolle von Vinculin 762
Literatur 763
Teil VI Photosynthese 767
30 Primärprozesse der Photosynthese 769
30.1 Bemerkungen zur Evolution der Photosynthese und Bioenergetik 770
30.2 Zwei fundamentale Prozesse der Photosynthese 771
30.2.1 Die Dunkelreaktionen 772
30.2.2 Elektronen-Zwischenspeicher sorgen für die Stöchiometrie der photochemischen Reaktionen 773
30.3 Die molekulare Architektur des Photosyntheseapparats der Pflanzen und Algen 774
30.4 Das bakterielle Reaktionszentrum: Eine zyklisch arbeitende ATP-produzierende Maschine 776
30.4.1 Optimierung des Lichteinfangs durch Lichtsammlerkomplexe 776
30.4.2 Phänomenologie und Dynamik der gerichteten Ladungstrennung in photosynthetischen Bakterien 778
30.4.3 Photobleichen als Werkzeug zur Untersuchung der Elementarschritte der Elektronentransferkette 781
30.5 Aufbau von Protonengradienten und Wasserspaltungin Pflanzen und Algen: Ein Beweis der chemo-osmotischen-Hypothese 782
30.6 Parallelschaltung der Photosysteme und dessukzessiven Elektronentransfers von Wasser auf P680 784
30.6.1 Messung der Fluoreszenzquantenausbeute des Protonentransfers 784
30.6.2 Nachweis der Serienschaltung der Reaktionszentren mit molekularen Spannungsmessern 784
30.6.3 Der sukzessive Elektronentransfer auf dem Weg zur Wasserspaltung 785
30.6.4 Ein einfacher Beweis des chemo-osmotischen Paradigmas 786
30.6.5 Biotechnische Perspektiven der biologischen Wasserspaltung 787
30.7 Die duale Rolle der F1F0-ATPase als ATP-Synthesemaschine und Rotationsmotor 788
30.7.1 Zwei elegante Experimente 790
Anhang 30A: Erzeugung von NADPH durch Katabolismus 791
Anhang 30B: Die oxidative Phosphorylierung in der Elektronentransferkette der Mitochondrien 792
Literatur 794
31 Physikalische Grundlagen photobiologischer Prozesse 797
31.1 Die elektronischen Zustände von ?-Elektronensystemen 797
31.2 Quantenmechanische Grundlagen der Photophysik organischer ?-Elektronensysteme 799
31.2.1 Das Modell des freien Elektronengases: Das Elektron als Teilchen im Kasten 801
31.2.2 Die Energien linear und zyklisch konjugierter Moleküle 802
31.2.3 Singulett- und Triplettzustände 805
31.3 Photophysik angeregter Moleküle 807
31.3.1 Absorption und Emission von Licht 807
31.3.2 Die Feinstruktur der Spektren: Das Franck-Condon-Prinzip 810
31.3.3 Das Jablonski-Termschema von ?-Elektronensystemen 813
31.3.4 Physikalische und chemische Reaktionen angeregter Moleküle 815
31.3.5 Die Konkurrenz zwischen strahlenden und strahlungslosen Übergängen 816
31.3.6 Photophysik der grün fluoreszierenden Proteine (GFP) 819
31.4 Bandenverschiebung durch Komplexbildung: Die Rotverschiebung des speziellen Paars 821
31.4.1 Die Rolle der Austauschwechselwirkung 823
31.5 Die Energiewanderung im Photosyntheseapparat 823
31.5.1 Der Förster-Mechanismus im klassischen Bild 824
31.5.2 Die Messung des Energietransfers: Ein klassisches Experiment 827
31.5.3 Der Austauschmechanismus 828
31.6 Mechanismen des Elektronentransfers in bakteriellen Reaktionszentren 829
31.7 Zusammenfassung 834
Anhang 31A: Hybridisierung von Atomorbitalen und die Richtungscharakteristik von Bindungen 835
Literatur 837
Teil VII Physik des Hörens 839
32 Anatomie und Physiologie des Hörsinns 841
32.1 Stationen der akustischen Informationsverarbeitung 841
32.1.1 Das Mittelohr als Impedanzwandler 841
32.1.2 Die Ohrmuschel als erstes Element der Informationsverarbeitung 843
32.1.3 Das Ohr als aktiver Schallsender 844
32.2 Struktur und Funktion des Innenohrs 844
32.3 Die neuronale Verarbeitung akustischer Signale 846
32.4 Der dynamische Bereich und die Frequenzcharakteristik des Hörsinns 848
32.5 Optimierung des Hörsinns: Resonanzüberhöhung und zweite Filterung 849
32.6 Zusammenfassung 852
Literatur 853
33 Mechanik und Hydrodynamik der Cochlea-Erregung: Das Wanderwellenmodell von Békésy 855
33.1 Die Experimente von Békésy und der Weg zur Wanderwellenhypothese 855
33.2 Zur Theorie der Wellenausbreitung in der Cochlea 857
33.3 Zusammenfassung und Ausblick 860
Literatur 861
34 Haarzellen als akusto-elektrische Signaltransformatoren 863
34.1 Haarzellen als nichtlineare Verstärker der mechanischen Schwingungen der Basilarmembran 863
34.1.1 Der molekulare Motor der OHZ als piezoelektrischer Aktuator 868
34.1.2 Die hebelartige Verstärkung der Deformation der BM durch die OHZ 869
34.2 Innere Haarzellen als passive und aktive mechano-elektrische Transformatoren 871
34.2.1 Mikroanatomie und Funktion der inneren Haarzellen 872
34.2.2 Stereocilien (Stereovilli) sind dynamische Strukturen von erstaunlicher Komplexität 872
34.3 Stereovilli als frequenzselektive nichtlineare Verstärker und aktive mechanische Oszillatoren 874
34.3.1 Die aktive Bewegung der inneren Haarzellen 878
34.4 Frequenzselektive Adaption der Empfindlichkeit von IHZ 879
34.4.1 Molekulare Modelle der Adaption 880
34.4.2 Wie die Natur den Hörsinn vor Rauschen durch den Blutstrom schützt 882
34.5 Zusammenfassung 883
Literatur 884
35 Thermomechanik, Struktur und Funktion von Viren 887
35.1 Strukturelle Aspekte der Paramyxoviren (Corona und Influenza) 887
35.2 Transfer des Genoms von Influenzaviren in die Zelle 889
35.2.1 Der Fusionsprozess 891
35.3 Die Biogenese von Coronaviren 891
35.3.1 Die Morphologie der Coronaviren 891
35.3.2 Die Orte der Biogenese: ERGIC 892
35.4 Coronaviren und die Blut-Hirn-Schranke 893
35.5 Der Weg der Coronaviren über Lysosomen ins Gewebe 895
35.6 Die Störung der Regulation des Blutdrucks durch Coronaviren 896
35.7 Die Verteidigung der Zellen gegen den Angriff durch Coronaviren 897
35.8 Physik und Biologie der von Proteinkapseln (Capsiden) umhüllten Viren 898
35.8.1 Symmetrieprinzipien als Quelle von Information 898
35.8.2 Biologie der von Capsiden umhülltenViren 899
35.8.3 Die Bildung kristalliner Schalen aus asymmetrischen Bausteinen: Das Prinzip der Quasiäquivalenz 902
35.8.4 Die Elastizität der 2D-Proteinkristalle bestimmt die Formenvielfalt und Stabilität der Virencapside 906
Literatur 912
36 Die Physik der Selbstorganisation und Verarbeitung des Genoms 915
36.1 Die molekularen Organisationsformen des Genoms in Viren und Eukaryoten 916
36.2 Mechanische und elektrostatische Basis der DNA-Verarbeitung 918
36.2.1 Topoisomerie und topologische Verwicklungen der DNA 920
36.2.2 Elektrostatik und Thermodynamik der DNA-Verdichtung 923
36.2.3 Stabilisierung supramolekularer Komplexe aus Polyelektrolyten durch Verdrängung von Gegenionen und Ladungsumkehr 926
36.2.4 Thermische Fluktuationen lockern die Wechselwirkung zwischen DNA und Histon 927
36.3 Die Regulation der Genexpression in Prokaryoten 928
36.4 Die DNA-Kondensation in Bakteriophagen erfordert Megapascal-Drücke 933
36.5 Die territoriale Organisation der Chromosomen in Eukaryoten 936
36.5.1 Die Mikroanatomie des Chromatins: Statische und dynamische Organisation 936
36.5.2 Experimentelle Methoden zur Erkundung der Chromatinstruktur 937
36.5.3 Das fraktale Schlaufenmodell der Chromatinfilamente 940
36.5.4 Die Dynamik der Chromosomen-Territorien 943
Anhang 36A: Replikation und Translation: Eine Zusammenfassung 945
Anhang 36B: Polymerasen als molekulare Motoren 947
Anhang 36C: Regulation der Genexpression in Eukaryoten: Die Rolle der Schlaufenbildung 948
Anhang 36D: Rezeptorvermittelte Aktivierung der Genexpression oder: Wie Haare durch laterale Inhibition entstehen können 949
Literatur 950
37 Experimentelle Methoden der Biophysik 953
37.1 Wie beobachtet man die Feinstruktur der Zellen? 953
37.2 Die Abbesche Theorie der Mikroskopie 954
37.3 Methoden der optischen Mikroskopie 958
37.3.1 Phasenkontrastmikroskopie 958
37.3.2 Die Differential-Interferenzkontrastmikroskopie (DIK) 960
37.3.3 Die Reflexions-Interferenzkontrastmikroskopie (RIKM) 962
37.3.4 Das konfokale Rastermikroskop 963
37.3.5 Die Nanofluoreszenzmikroskopie 964
37.4 Untersuchung intrazellulärer biochemischer Prozesse durch Autoradiographie 965
37.5 Die Ultrazentrifuge: Eine hydrodynamische Methode zur Isolation und Charakterisierung biologischer Makromoleküle 966
37.5.1 Die dynamische Sedimentations- und Dichtegradientenmethode 968
37.5.2 Strukturaufklärung durch dynamische Sedimentationsanalysen 969
37.6 Grundbegriffe der Hydrodynamik 972
37.7 Die Fickschen Gesetze der Diffusion 974
37.8 Beobachtung der molekularen Dynamik durch quasielastische Neutronenstreuung und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie 976
37.8.1 Die gemeinsame Grundlage der Methoden 976
37.8.2 Quasielastische Neutronenbeugung 978
37.8.3 Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) 981
Literatur 983
38 Aufgaben 985
38.1 Aufgaben zu Kapitel 1 985
38.2 Aufgaben zu Kapitel 2 986
38.3 Aufgaben zu Kapitel 3 986
38.4 Aufgaben zu Kapitel 4 988
38.5 Aufgaben zu Kapitel 5 988
38.6 Aufgaben zu Kapitel 6 988
38.7 Aufgaben zu Kapitel 7 989
38.8 Aufgaben zu Kapitel 8 991
38.9 Aufgaben zu Kapitel 9 993
38.10 Aufgaben zu Kapitel 10 994
38.11 Aufgaben zu Kapitel 11 995
38.12 Aufgaben zu Kapitel 12 996
38.13 Aufgaben zu Kapitel 13 997
38.14 Aufgaben zu Kapitel 14 998
38.15 Aufgaben zu Kapitel 15 999
38.16 Aufgaben zu Kapitel 16 1000
38.17 Aufgaben zu Kapitel 17 1001
38.18 Aufgaben zu Kapitel 18 1001
38.19 Aufgaben zu Kapitel 19 1002
38.20 Aufgaben zu Kapitel 20 1003
38.21 Aufgaben zu Kapitel 21 1004
38.22 Aufgaben zu Kapitel 22 1004
38.23 Aufgaben zu Kapitel 23 1005
38.24 Aufgaben zu Kapitel 24 1006
38.25 Aufgaben zu Kapitel 25 1006
38.26 Aufgaben zu Kapitel 26 1007
38.27 Aufgaben zu Kapitel 27 1007
38.28 Aufgaben zu Kapitel 28 1008
38.29 Aufgaben zu Kapitel 29 1008
38.30 Aufgaben zu Kapitel 30 1009
38.31 Aufgaben zu Kapitel 31 1009
38.32 Aufgaben zu Kapitel 32 1010
38.33 Aufgaben zu Kapitel 33 1011
38.34 Aufgaben zu Kapitel 34 1011
38.35 Aufgaben zu Kapitel 35 1011
38.36 Aufgaben zu Kapitel 36 1012
38.37 Aufgaben zu Kapitel 37 1013
Glossar 1017
Stichwortverzeichnis 1033
EULA 1047