Einführung in die Biophysik - physik.uni-muenchen.de · BPE§0! 18! Die Nano-Biotechnologie wird...

Einführung in die Biophysik!Schwerpunktstudium "Biophysik !

Prof. Dr. Joachim Rädler!Dr. Gerald Mathias!!!Mo 14:00-16:15 Kl. Phys. HS !Einführung in die Biophysik!Einstiegsvorlesung in das Schwerpunktstudium Biophysik, besonders für Studierende des 4/6. Semesters!!Mi 16:45-17:30 Kl. Phys. HS !Begleitendes Übungsseminar!Dr. Gerald Mathias, Svenja Lippok !!zur Vertiefung ausgesuchter Themen der Vorlesung. Die Studierenden werden durch die Betreuer in der eigenständigen und effizienten Recherche und Lösen von Übungsaufgaben unterwiesen!!6 ECTS Punkte für beide Veranstaltungen zusammen!!

LMU!

Biophysik Schwerpunkt!

http://www.schwerpunkt-biophysik.physik.lmu.de!

Biophysik der Moleküle!

Biophysik!

J.O. Rädler!WS 2005/06!

Schwerpunktstudium!Biophysik!LMU!

der Zelle!

Die Vorlesung folgt dem Skript Gaub WS 03/04 www.schwerpunkt-biophysik.physik.lmu.de!

Biophysik der Systeme!

gene(tic)

r egulatory

networks

protein

interactions

networks

Citrate Cycle

Bio-Map

[A.L.Barabasi]

GENOME

PROTEOME

METABOLOME

metabolic

networks

The Systems

Biology View

June 29

July 6

July 13

Inhalt: !!Biomoleküle: Kohlenhydrate, Lipide, DNA, Proteine, Transkription, Faltung....!Biophysikalische Techniken: AFM, NMR, Xray, Elektrophorese, Mikroskopien..!!Querschnitt durch die aktuellen Forschungsthemen der BiophysikLMU!

!Experimente!

!!Einführung in die Biophysik!!SS 2011, Schwerpunktstudium Physik LMU!!1. Motivation!Was ist Biophysik !!2. Zellen!Replikation, Evolution, RNA, Bakterien, Eukarioten Prokarioten, Pflanzenzellen,Vertebratenzellen, innere Organisation, Organellen, !Techniken: Fluoreszenz, Konfokale Mikroskopie, AFM, Phasenkontrast, GFP, Quantenpunkte, Einzelmolekülfluoreszenz, Zentrifugation, Dichtegradienten, Dynamische Zentrifugation, !!

3. Biomoleküle!!3.1. Grundlagen!!Grundlagen Organische Chemie!Chemische Bindung, !, ", funktionelle Gruppen, Reaktionsschemen, Phosphate, Lipide, Zucker, Aminosäuren, Basen, Stereochemie, Chiralität!!Thermodynamik Grundlagen, !1.&2. Hs, "G, "H, µ, Nernst-Potential, Redoxreaktionen, Oxidationszahl, TLS, Reaktionskinetiken, MWG, Van’t Hoff!Techniken: pH-Elektrode,!!Wasser!H-Brücken, Solvatation, Säure-Base-GG, hydrophobe WW, dyn. Eisbergstruktur, anomale Temp. Abh. der Alkangemische!!3.2. Zucker!Hexosen, Pentosen, Ringe, Isomerie, Polysaccharide, Ring-Mechanik!Techniken: Einzelmoleül-Kraftspektroskopie!!!

3.3. DNA !!DNA Klassisch!DNA/RNA Erbinformation, Komplementarität, Struktur, Kodierung, Replikation, Sekundärstruktur, Aptamere, Ribenzyme, Thermodyn. Helix-Coil-Umwandlung, Kooperativität, Keimbildung, Van’tHoff!Techniken: UV-Vis-Spektroskopie!!DNA in der Nanotechnologie!Nanowires, Origami-Strukturen, DNA-Motoren, Adelman-DNA-Rechner, !Techniken: FRET, DNA Synthese, PCR!

!Gentechnologie!Human Genom Project, Soziale & Gesellschaftliche Implikationen, Plasmide, Polymerasen, Ligasen, Helikasen, transgene Pflanzen und Tiere, Physik der Nanomedizin, künstliche Viren, functional genomics!Techniken: Sangers-Reaktion, Gel-Elektrophorese, Maldi-TOF, Penning-Fallen Massenspektroskopie, Sequenom technology, cloning, from protein to gens, from gens to proteins, recombinant proteins, southern-northern... blots, DNA labelling, FISH, Restriktionsenzyme, Vektoren, Expressionssysteme, site directed mutagenesis, expression profiling, DNA-chips!

!

3.4. Proteine!Ribosomale Proteinsynthese, Primärbios Tertiärstrukturen, Motive, Faltungsproblem, Enzym-Rezeptor, katalytische Antikörper, molekulare Erkennung, inter- und intramolekulare WW (besonders Van der Waals, Debye-Hückel), kolloidale Stabilität, MD-Rechnungen, Proteine als Gläser, hierarchische Zeitskalen, folding funnels, chaperonins, Proteinmodifikationen, allosterische Regulation!Techniken: Conformational Flooding, externeKräfte, Kraftspektroskopie, X-ray, NMR!!3.5 Lipide!Membranen, Transportbarriere, Singer-Nickelson, Proteinanker, Phospholipide, Vesikel, Mizellen, Monolayer, laterale Diffusion, Fick’sche Gesetze, Saffmann-Delbrück, Free Volume Model, Lipid/Wasser Phasendiagramm, Membran-Biegeelastizität, Formfluktuationen, O-Spannung, 2d- Thermodynamik, Formumwandlungen, Lipidmischungen, 2d-Phasendiagramme!Techniken: Freeze etching, FRAP, single molecule tracking, Langmuir Trog, LB Transfer!!4. Viren!Struktur, Prinzip, Hüllen, life cycle, Retroviren, budding, Selbstorganisation, Symmetrien, TMV, Gauß’sche Körper!Techniken: Polydron! !

Erich Sackmann & !Rudi Merkel !

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Rob Philip !Kane Kondrev !Julie Theriot !

Website!http://www.garlandscience.com/textbooks/0815341636.asp!

BPE$0 ! 14!P. Tinnefeld / Gaub/ SS 2010!

Literatur!

Bruce Alberts et al.:!Molecular Biology!of the Cell (MBoC)!

Helmut Pfützner!

Roland Glaser!

Rodney Cotterill!

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Literatur!zur!Vorlesung:!

"Molekularbiologie der Zelle", Alberts et al., Verlag Chemie""Molecular Cell Biology", Lodish, Berk, ...; Freeman!"Biochemie“, Stryer, Spektrum Verlag!"Biophysical Chemistry“, Cantor and Schimmel, Freeman and Co., N.Y.!"Principles of Protein Structure“, Schulz and Schirmer, Springer, Berlin; !"Bioanalytik", Lottspeich, Zorbas, Spektrum Verlag, !„Angewandte Biophysik“, H. Pfützner!"Biophysik“, W. Hoppe, Springer, Berlin. (ziemlich alt)!

weitere Hinweise : !www.softmatter.physik.uni-muenchen.de!www.schwerpunkt-biophysik.physik.lmu.de!

Gaub/WS08/09! EinzelmolekülBiophysik! 17!

Alles nano ?

Tinnefeld / Gaub / SS10! BPE§0! 18!

Die Nano-Biotechnologie wird für den Fortschritt und die nachhaltige Prosperität der hochtechnisierten Länder von essentieller Bedeutung sein. !

E. Buhlman!

Nano-Biotechnologie im eigentlichen Sinne existiert noch gar nicht, sie muss erst aus den Nanowissenschaften heraus entwickelt werden. !

G. Whitesides!

Lokale Kontrolle"Gezielte Veränderung !!Schaffung neuer Strukturen Erkenntnisgewinn durch aktiven Eingriff!

Manipulation:!

Transdisziplinäre Grundlagenforschung im Bereich der Nanowissenschaften mit Blick auf Anwendungen in einer künftigen Nanotechnologie!

Ziel:!

Fortsetzungsantrag 2011!

Gaub/WS08/09! EinzelmolekülBiophysik! 21!

Festkörperphysik!

Biophysik!

Supramolekulare "Chemie!

Physikalische Chemie!

Theoretische Physik!

Biotechnologie!

Gelebte Trans-Disziplinarität!

Biochemie!Photonik!

Fortsetzungsantrag 2011

Gaub/WS08/09! EinzelmolekülBiophysik! 22!

Wie entstand Biophysik?!

Natur-#Wissenschaften#

bis ca 19. Jhd.!

Physik! Chemie!

Medizin #Biologie!

Gaub/WS08/09! EinzelmolekülBiophysik! 23!

Wie entstand Biophysik?!

Physik! Chemie!

Medizin #Biologie!

Gaub/WS08/09! EinzelmolekülBiophysik! 24!

Wie entstand Biophysik?!

Physik! Chemie!

Medizin #Biologie!

Biophysik!

Gaub/WS08/09! EinzelmolekülBiophysik! 25!

Was ist Biophysik?!

Physik BiologieTechnikenWerkzeugeKonzepte

Wie funktioniert...? Wie ist...?

H.Gaub / SS 2008! BPE$0 ! 26!

Wer betreibt Biophysik?#in München!LMU München!

!Physik!

!Zinth !Photobiophysik!!Tavan !Moleküldynamik!!Rädler !DNA/Lipidsysteme!!Braun !Thermoeffekte!!Tinnefeld !Einzelmoleküloptik!!GottschalkZelladhäsion!!Frey !Mol. Motoren!!Gaub !Nano-Biophysik !!Liedl !DNA-Nanotechnologie! !

Biologie !!!Uhl !Zellbiophysik!!Grothe !Neurologie!

!Chemie!

!Bräuchle !Virus tracking!!Michaelis ! Single Molecule Spectroscopy!!Lamb !Single Molecule Spectroscopy!!

Medizin !!!Schliwa !Molekulare Motoren!

!Dt. Museum / TUM!

!Heckl !Nanomanipulation!!

Max Planck Institut Martinsried!!!

Fromherz ! Neuron-Halbleiter Kontakte!Baumeister Elektronentomographie!Bonnhöfer! Neurophysiologie!Oesterhelt! Baktereorhodopsin !!TU-München!!v.Hemmen! Neuronale Netzwertheorie !Netz ! Biopolymere!Rief ! Molekulare Motoren!Hugel ! Biopolymere!Bausch ! Zytoskelett!!FH-München!!Clausen-Schaumann !!

! Einzelmolekülmechanik!!GSF Neuherberg!!Thalhammer Mikrofluidik!