Vorlesung Biophysikalische Grundlagen der Zellphysiologie

Die Vorlesung richtet sich an Studenten der technischen Biologie im 2. Fachsemester und behandelt physikalische Grundlagen zellulärer Vorgänge sowie biophysikalische Methoden zu deren Aufkärung.

Inhalt

• Formen des Lebens
  • Probleme der molekularen Biophysik
  • Maßzahlen, Maßeinheiten, Größenordnungen, dimensionslose Größen
• Die Anatomie der Zelle
  • Grundlegende Architektur einer Zelle
  • Methoden zur Visualisierung der Feinstruktur von Zellen
    • Geometrische Optik: Gesetz von Snellius, Prinzip von Fermat, Brechung an zwei Kugelflächen, Linsenschleiferformel, Linsengleichung, Abbildungsgleichung, Newton-Gleichung, Kombination von zwei dünnen Linsen, Optische Instrumente
    • Grundlagen der Wellenoptik: Kohärenz, Interferenz, Beugung am Einzelspalt, Beugung am Doppelspalt, Raleigh Auflösungskriterium, Airy Scheibchen, Abbe’sche Abbildungstheorie
    • Wichtige Anwendungen und Beispiele: Auge, Lupe, Optisches Mikroskop, Elektronenmikroskopie, Auflösungsvermögen des Auges, Auflösungsvermögen eines Mikroskops, Auflösungsvermögen eines Transmissionselektronenmikroskops, Linsenfehler, Amplitudenkontrast (Hellfeld-, Dunkelfeld- und Fluoreszenzmikros-kopie), Phasenkontrast (Phasenkontrast-, DIC-Mikroskopie), Rastersondenmikroskopie
  • Methoden der Isolierung von Zellbestandteilen
    • Zentrifugation, Prinzip von Archimedes
    • Reibung, Svedbergkonstante, Bewegung im viskosen Medium, Gesetz von Stokes, Bedeutung der Rynoldszahlen, Berechnung der Klärzeit
    • Zentrifugation im statischen Gleichgewicht, Sedimentationsgleichgewicht
    • Zentrifugation im dynamischen Gleichgewicht
• Mechanismen der molekularen Selbstassemblierung
  • Selbstassemblierung von Amphiphilen
    • Detergens Mizellen, Lipiddoppelschichten
  • Selbstassemblierung von Supramolekularen Komplexen
    • Viren, Filamente, Plaques
• Mechanismen der Informationsübertragung und Signaltransduktion
  • Diffusionsvermittelte Kommunikation durch Botenstoffe
    
    • Theoretische Grundlagen: Thermische Bewegung und das Gesetz von Boltzmann, 1. und 2. Fick’sches Gesetz, Random Walk, Herleitung der Einstein-Smoluchowski Relation, Diffusion in einem äußeren Kraftfeld (Fokker-Planck Gleichung), Diffusion in einem äußeren elektrischen Feld (Nernst-Planck Gleichung), Spezialfälle der Nernst-Planck Gleichung (Leitfähigkeit eines Elektrolyten, Diffusionspotentiale und Nernst-Potential)
    • Beispiele zur Diffusion in biologischen Systemen: Diffusion als Mechanismus für den molekularen Stofftransport, Random Walk und die zufällige Faltung von Polymeren, Einfache Diffusion von Molekülen durch biologische Membranen und Definition der Permeabilität, Diffusionsgleichungen und das elektrische Potential einer biologischen Membran (vgl. Elektrostatik der Nervenleitung)
  • Elektrische Kommunikation – Nervenleitung
    
    • Elektrostatik der Nervenleitung: Diffusionspotential bzw. Nernst-Planck Gleichung, Donnan-Gleichgewicht (Donnan-Potential), Goldmann-Gleichung
    • Passive Eigenschaften einer biologischen Membran: Elektrische Ersatzschaltbilder, Kabelgleichung
    • Aktive Eigenschaften einer biologischen Membran: Erregungsleitung und Signalfort-pflanzung im Axon, Zeitlicher Verlauf der Ionenströme beim Aktionspotential, Mole-kulare Ursachen des Aktionspotentials
• Arbeit und molekulare Maschinen
  • Molekulare Biophysik des Transports von Ionen und organischen Makromolekülen durch Membranen
    
    • Primär und sekundär aktiver Transport
    • Transport durch Kanäle
    • Carrier vermittelter Transport (Aktiver Transport, erleichterte Diffusion)
  • Molekulare Motoren
    
    • Linearmotoren (Aktin Myosin System im Muskel, Polymerisation / Depolymerisation von Microtubuli im Mitosespindelapparat, Motorproteine beim Organellentransport)
    • Rotationsmotoren (ATP-Synthetase, Flagellenmotor)

Materialien

Materialien (Folien etc.) zur Vorlesung finden Sie auf der ILIAS-Lernplattform der Universität

Empfohlene Literatur

• Nelson
  Biological Physics: Energy, Information, Life
  Freeman, 2004
• Adam, Läuger & Stark
  Physikalische Chemie und Biophysik
  Springer, 2002
• Howard
  Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton
  Sinauer Associates, 2001
• Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Walter
  Molecular Biology of the Cell
  Garland Science
• Berg, Tymocko & Stryer
  Biochemie
  Spektrum, 2003
• Voet & Voet
  Biochemistry (Wiley, 2004)
• Tipler & Mosca
  Physik
  Spektrum, 2004

Übungen

Übungsblätter zur Vorlesung finden Sie ebenfalls auf der ILIAS-Lernplattform.