Biophysik ist ein noch junges Fachgebiet an der Schnittstelle zwischen Physik, Chemie, Biologie und Medizin. Es ist in vielen Studiengängen ein Vertiefungsfach und wird erst seit einigen Jahren als eigenständiges Studienfach in Bachelor- und Masterstudiengängen angeboten.
Es führt in grundlegende Konzepte der Biophysik ein und beschreibt die wichtigsten experimentellen Methoden. Bei der Behandlung dieser Konzepte werden einige Grundlagen aus Physik, Chemie und Biologie vorausgesetzt, die üblicherweise in den ersten Semestern des Studiums vermittelt werden.
Dieses Buch entstand an der Goethe-Universität Frankfurt als Begleitbuch zum ersten grundständigen Biophysikstudiengang.
Aus dem Inhalt: • Eigenschaften, Struktur und Funktion biologischer Polymere • Eigenschaften biologischer Membranen • Transportprozesse über biologische Membranen • Grundlagen biologischer Energiewandlung • Spektroskopische Messmethoden • Rastersondentechniken und molekulares Kräftemessen • Strahlenbiophysik
Vorwort 11 1 Biophysik im Umfeld von Physik, Chemie, Biochemie, Biologie und Medizin 14 1.1 Die Wurzeln der Biophysik 14 1.2 Was ist Biophysik? 15 1.3 Biophysik und Strukturbiologie 17 1.4 Längenskalen der Biophysik 17 1.5 Zeitskalen der Biophysik 18 1.6 Energieskalen der Biophysik 20 1.7 Kräftebereiche bei Biopolymeren 22 1.8 Wunsch und Wirklichkeit bei der molekularen Biophysik 22 1.9 Komplementäre Methoden ergeben eine Gesamtsicht 24 1.10 Einzelne Moleküle oder Ensembles? 26 2 Bindungen, Wechselwirkungen und Kräfte bei Molekülen 27 2.1 Bildung von Molekülorbitalen 27 2.2 Elektronenaffinit? und chemische Bindung 28 2.3 Bindungstypen 29 2.4 Kräfte und Wechselwirkungen 30 2.5 Typische Bindungsenergien und Bindungsabst?de 32 2.6 Kräfte, Wechselwirkungen und Kraftfelder 35 3 Aufbau von Proteinen 38 3.1 Proteine als Alleskönner 38 3.2 Aminosäuren als Bausteine für Proteine 39 3.3 Stereoisomere von Aminosäuren 41 3.4 Aminosäuren verknüpfen durch Peptidbindungen 42 3.5 Struktur der Peptidbindung 43 3.6 Räumliche Anordnung von Peptidgruppen in einer Kette von Aminosäuren 44 3.7 Strukturbildung 46 3.8 Hierarchie der Wechselwirkungen in Proteinen 47 3.9 Bildung typischer Sekundärstrukturelemente 48 3.10 Häufigkeit von Sekundärstruktur-Merkmalen 51 3.11 Vorhersage von Sekundärstrukturen 51 3.12 Ionisationsgleichgewichte von Aminosäuren und Peptiden 52 3.13 Ladungen von Peptiden und Proteinen 54 4 Lipide als Bausteine biologischer Membranen 56 4.1 Phospholipide 57 4.2 Konformation von Lipiden und Phasenübergänge bei Lipidmembranen 59 4.3 Dynamik von Lipidmolekülen in der Membran 62 4.4 Lipidvesikel als Transportmittel für Medikamente 64 5 Strukturen und Eigenschaften biologischer Membranen 66 5.1 Membranproteine 67 5.2 Außenmembranen und Zelloberflächen 68 5.3 Charakterisierung von Lipideigenschaften 69 5.4 Künstliche Membransysteme für die Untersuchung von Membran- und Proteineigenschaften 71 5.5 „Black-Lipid-Filme“ zur Untersuchung von Permeabilit und Transport durch Membranen 73 6 Elektrische Eigenschaften von Lipidmembranen 75 6.1 Leitfähigkeit und Kapazit der Membran 75 6.2 Gesamtkapazit einer Zelle 78 6.3 Zellpotenziale erzeugen extreme elektrische Felder 80 6.4 Wechselspannungsverhalten der Lipidmembran 82 6.5 Manipulation von Zellen in elektrischen Feldern 83 7 Transport durch Membranen 85 7.1 Passiver und aktiver Transport 86 7.2 Strukturen und Moleküle beim Membrantransport 88 7.3 Membrantransport mittels Carriermolekülen 92 7.4 Protonencarrier in der Membran 95 8 Ionendiffusion, Diffusionspotenziale und Grenzflächenpotenziale an Membranen 98 8.1 Diffusionspotenzial 98 8.2 Potenzial- und Konzentrationsverlauf an einer Membran 103 9 Biologische Energieformen und Energietransformationen 107 9.1 Energieformen 107 9.2 Thermodynamische Größen zur Beschreibung von biologischen Energietransformationen 108 9.3 Kopplung von Transportprozessen an die chemischen Potenziale von Spaltungsreaktionen 110 9.4 Chemiosmotische Hypothese 113 9.5 Klassifizierung von ATPasen 114 9.6 Photosynthese 118 9.7 Strahlungsloser Energietransfer zwischen Pigmentensembles 122 9.8 Elektronentransfer in photosynthetischen Reaktionszentren 123 9.9 Oxygene Photosynthese bei Pflanzen und Blaualgen (Cyanobakterien) 126 10 Chemische und biochemische Reaktionen 129 10.1 Grundlagen 129 10.2 Standardzustände 130 10.3 Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 134 10.4 Enzymreaktionen und Enzymkinetik 140 11 Strukturanalyse I: Hochauflösende Strukturuntersuchungen 144 11.1 Grundlagen 144 11.2 Röntgenbeugung und Proteinkristallografie 145 11.3 Zweidimensionale NMR-Spektroskopie 150 11.4 Besetzungsgleichgewichte 152 11.5 Von der 1-D-NMR-Spektroskopie zur 2-D-NMR-Spektroskopie 153 11.6 Festkörper-NMR 154 11.7 „Magic-Angle-Spinning“-NMR-Spektroskopie 156 12 Strukturanalyse II: Mikroskopie, Elektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und Neutronenbeugung 159 12.1 Grundlagen 159 12.2 Elektronenmikroskopie 162 12.3 Rasterelektronenmikroskopie 165 12.4 Elektronenmikroskopie zur hoch auflösenden Strukturbestimmung 166 12.5 Zusammenspiel von Auflösung, Kontrast und Strahlenschäden in der Elektronenmikroskopie 170 12.6 Neutronenbeugung 170 13 Optische spektroskopische Methoden I: Absorptionsmethoden 173 13.1 Spektralbereiche elektromagnetischer Strahlung 173 13.2 Übersicht über die optischen spektroskopische Methoden 175 13.3 Beschreibung der elektromagnetischen Welle 177 13.4 Energieniveaus von Molekülen 180 13.5 Banden statt Linienspektren 187 14 Optische spektroskopische Methoden II: Absorptionsmessungen 189 14.1 Quantitative Spektroskopie: Lambert-Beer-Gesetz 189 14.2 Typische Fehler bei der Absorptionsspektroskopie 191 14.3 Spektrometer 193 14.4 UV-Absorption von Biopolymeren 199 14.5 Absorption von chromophoren Gruppen im sichtbaren Spektralbereich 202 15 Optische spektroskopische Methoden III: Fluoreszenzspektroskopie 205 15.1 Grundlagen 205 15.2 Fluoreszenzspektrometer 207 15.3 Emissions- und Anregungsspektren 208 15.4 Fluoreszenzlöschung 209 15.5 Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET) 210 15.6 Natürliche und künstliche Fluorophore und Fluoreszenzsonden 215 16 Optische spektroskopische Methoden IV: Infrarotspektroskopie 218 16.1 Grundlagen 218 16.2 Techniken in der Infrarotspektroskopie 222 16.3 Probenherstellung 226 16.4 Infrarotspektroskopie mit evaneszenten Wellen: ATR-Spektroskopie 228 16.5 Zuordnung von Schwingungsspektren 229 16.6 Absorption der Peptidbindung 232 16.7 Absorption von Aminosäureseitenketten 236 16.8 Differenzspektren: Die Detektion einzelner Bindungen 237 16.9 Infrarotspektroskopie mit multivariaten und chemometrischen Methoden 240 17 Optische Spektroskopie V: Spezielle Techniken 243 17.1 Lichtstreumethoden 243 17.2 Näherungsmethoden für Lichtstreumessungen 244 17.3 Photoakustische Spektroskopie 249 17.4 Lochbrennspektroskopie 252 17.5 Spektroskopie mit linear polarisiertem Licht 253 17.6 Spektroskopie mit zirkular polarisiertem Licht 255 18 Rastersondentechniken 257 18.1 Grundlagen 257 18.2 Rastertechniken 258 18.3 Messung magnetischer und elektrischer Kräfte mit dem Rastersondenmikroskop 266 18.4 Das Rastersondenmikroskop als Nano-Manipulator 267 18.5 Rastersondentechniken für optische Messungen im Nahfeld 267 19 Sedimentations- und Zentrifugationstechniken 269 19.1 Grundlagen 269 19.2 Zentrifugation 271 19.3 Analytische Ultrazentrifugation zur Größenanalyse bei Biopolymeren und Nanopartikeln 274 20 Strahlen- und Umweltbiophysik 278 20.1 Dosisbegriffe 281 20.2 Grenzwerte für den Strahlenschutz 284 20.3 Dosisdefinition bei nichtionisierender Strahlung 284 20.4 Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie 285 20.5 Radioaktive Strahlung und radioaktive Präparate 291 20.6 Dosimetrie 294 20.7 Abschirm- und Schutzmaßnahmen f? Röntgen-, Gamma- und Teilchenstrahlung 297 20.8 Strahlenbelastung der Bevölkerung in Deutschland 299 20.9 Physikalische, chemische und biologische Strahlenwirkung 302 20.10 Nichtionisierende Strahlung und EMF-Belastung 304 Literaturverzeichnis 309 Register 312
Pressestimmen
Aus: ekz-informationsdienst – Oliver Mitesser – 36. KW 2012Wie in den meisten Einführungen in die Biophysik werden auch hier die beiden zentralen Gesichtspunkte des Fachs abgedeckt: physikalische Strukturen und Prozesse in lebendigen Systemen sowie physikalische Mess- und Experimentaltechnik in der Biologie. Dabei geht Werner Mäntele (Professor für Biophysik in Frankfurt a.M.) zurückhaltend mit mathematischem Formalismus um, ohne dabei zu versäumen, ein Gefühl für Größenordnungen zu vermitteln. Er wendet sich damit insbesondere an Bachelorstudierende naturwissenschaftlicher Fachrichtung und begleitet den Übergang des Lehrgebiets von der Spezialisierungsdisziplin hin zum grundständigen Studiengang. […] Der reich und anschaulich illustrierte Band schließt mit Literaturhinweisen und Register […]
Autoreninfo
Mäntele, Werner
Prof. Dr. Werner Mäntele lehrt an der Universität Frankfurt.
Sehr gute Darstellung der Schnittmenge von Biologie, Chemie und Physik gepaart mit methodischen Hintergründen.
Dozentenbewertung
Bewertung
Kundenmeinung von S. Lutherdt
Aufbau und Umfang entsprechen dem geplanten Einsatz als Ergänzungsliteratur, die Sprache ist für die Zielgruppe der Ingenieursstudiengänge verständlich. Über die Literaturangaben lassen sich bei Bedarf weitere Quellen und tiefergehende Werke finden.
Dozentenbewertung
Bewertung
Kundenmeinung von A.-K. Lehmann
- kompakt aber informativ geschrieben
- gut strukturierte Kapitel
Abbildungen sind sehr anschaulich & gut strukturiert, in Verbindung mit den Abbildungsbeschreibungen und "Infoboxen" neben dem eigentlichen Text wird der Lehrinhalt sehr gut veranschaulicht.
Interessantes Grundlagenbuch
Bewertung
Kundenmeinung von K. Henning
Bei dem Buch "Biophysik" handelt es sich um ein interessantes Buch, in dem ausgewählte physikalische Grundlagen der Biologie thematisiert werden. Molekularbiologische Inhalte wie Proteine, Lipide und Membranen werden anhand ihres physikalischen Fundaments vorgestellt. Darüber hinaus werden Methoden der Biowissenschaften wie optische Nachweismethoden vorgestellt. Der Aufbau des Buches erscheint logisch. Trotz einiger verwendeter Formeln ist das Buch nicht zu formellastig, so dass ein guter Lesefluss gefördert wird. Die grafische Gestaltung ist in Ordnung. Die Abbildungen und Grafiken sind in schwarz, grau, weiß und blau gehalten. Das Buch ist insbesondere für Studenten interessant, die sich für die physikalischen Grundlagen biologischer Prozesse und Phänomene interessieren und wissen wollen, welche physikalischen Grundlagen einer Nachweismethode zu Grunde liegen. Dabei ist es sowohl für Studenten niedrigerer und höherer Semester geeignet. Lernhilfen werden nicht angeboten, dafür einige Verweise auf andere Quellen zur Vertiefung. Die Inhalte sind insofern für die Prüfung geeignet, als dass sie ein Verständnis für die Prozesse und Phänomene fördern und weiteres Nachdenken anregen. Für biophysikalische Studiengänge sind die Inhalte hingegen bestimmt Klausurrelevant, wobei ich das nicht beurteilen kann. Es wäre schön, wenn bei einer Folgeauflage wichtige Grundbegriffe am Seitenrand aufgeführt und kurz erläutert würden. Das kommt mir ein wenig zu kurz. Zudem könnten dort auch die Bedeutungen der Variablen erläutert werden, sodass man diese schneller im Blick hat. Dennoch ist das Buch zu empfehlen.
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