Biophysics - Cheatsheet.pdf

Struktur und Funktion von Proteinen und Nukleinsäuren

Definition:

Struktur und Funktion von Proteinen und Nukleinsäuren - essentielle Biomoleküle mit spezifischen funktionellen und strukturellen Eigenschaften.

Details:

• Proteine: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur.
• Primärstruktur: Aminosäuresequenz
• Sekundärstruktur: \alpha-Helix, \beta-Faltblatt
• Tertiärstruktur: Räumliche Anordnung einer Polypeptidkette
• Quartärstruktur: Zusammenlagerung mehrere Polypeptidketten
• Funktion: Katalyse (Enzyme), Struktur, Transport
• Nukleinsäuren: DNA und RNA, Träger der genetischen Information
• DNA: Doppelhelixstruktur, Basenpaarung (A-T, C-G)
• RNA: Einzelstrang, verschiedene Typen (mRNA, tRNA, rRNA)
• Replikation: DNA-Verdopplung
• Transkription: Umschreiben von DNA in RNA
• Translation: RNA zu Protein

Spektroskopische Methoden zur Untersuchung biologischer Moleküle

Definition:

Untersuchung biologischer Moleküle durch Messung der Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung.

Details:

• UV/Vis-Spektroskopie: Absorptionsspektren analysieren, um Konzentrationen und Strukturen zu bestimmen.
• IR-Spektroskopie: Identifikation funktioneller Gruppen, Untersuchung von Bindungen und Molekülkonformationen.
• NMR-Spektroskopie: Aufklärung der dreidimensionalen Struktur, Dynamik, und Wechselwirkungen von Molekülen.
• Massenspektrometrie: Bestimmung der Molekülmasse und Identifizierung durch Fragmentierungsmuster.
• Fluoreszenzspektroskopie: Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften zur Analyse von Struktur und Umgebung biologischer Moleküle.
• Raman-Spektroskopie: Analyse von Schwingungsmoden zur Strukturbestimmung.

Mechanismen des transmembranen Transports

Definition:

Vorgänge, die den Transport von Molekülen oder Ionen durch Zellmembranen regeln.

Details:

• Passiver Transport: Diffusion entlang eines Gradienten (z.B. einfache Diffusion, erleichterte Diffusion)
• Aktiver Transport: Energieverbrauchender Transport gegen einen Konzentrationsgradienten (primär und sekundär aktiv)
• Symport und Antiport: Kotransportmechanismen im sekundär aktiven Transport
• Ionophore: Chemische Verbindungen, die Ionen across Zellmembranen transportieren
• Poren/Kanäle: Proteinkanäle, die bestimmten Molekülen/Ionen den Durchtritt erlauben (beispielsweise Aquaporine für Wasser)
• Formel für den Nettofluss bei der erleichterten Diffusion: \ J = P \times (C_{\text{außen}} - C_{\text{innen}}) \ mit \ P = \text{Permeabilitätskoeffizient}
• Michaelis-Menten-Kinetik: Beschreibt Sättigung bei erleichterter Diffusion

Strukturbasierte Wirkstoffentwicklung

Definition:

Verwendung der 3D-Struktur von Zielmolekülen zur Entwicklung von Wirkstoffen.

Details:

• Ziel: Effiziente Bindung und Hemmung des Zielmoleküls
• Verfahren: Röntgenkristallographie, NMR-Spektroskopie, Computational Docking
• Schritte: Strukturbestimmung, virtuelle Screening, Strukturoptimierung
• Beispiel: Entwicklung von Protease-Inhibitoren gegen HIV

Freie Energie und biologische Reaktionen

Definition:

Freie Energie (Gibbs-Energie) bestimmt die Spontaneität biochemischer Reaktionen.

Details:

• Freie Enthalpie: \(\text{G} = \text{H} - T\text{S}\)
• Reaktion spontan bei \(\text{ΔG} < 0\)
• Gleichgewicht: \(\text{ΔG} = 0\)
• Kopplungsreaktionen: Exergonische (\(\text{ΔG} < 0\)) Reaktion treibt endergonische (\(\text{ΔG} > 0\)) an
• Wichtige Rolle in Zellatmung und Photosynthese

Energieumwandlung in Zellen

Definition:

Energetische Prozesse in Zellen, insbesondere die Umwandlung von chemischer Energie in nutzbare Formen.

Details:

• ATP: Hauptenergiespeicher
• Glykolyse: Glucose zu Pyruvat ( \[ C_6H_{12}O_6 + 2ADP + 2P_i + 2NAD^+ \rightarrow 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H_2O \] )
• Zitratzyklus: Acetyl-CoA in CO₂ und Reduktionsäquivalente
• Atmungskette: NADH/FADH₂ zu ATP ( \[ NADH + H^+ + 3ADP + 3P_i + 1/2O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O + 3ATP \] )
• Photosynthese: Lichtenergie zu chemischer Energie ( \[ 6CO_2 + 6H_2O + Lichtenergie \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \] )

Stochastische Modelle in der Biologie

Definition:

Stochastische Modelle beschreiben biologische Systeme unter Berücksichtigung von Zufallseinflüssen und Variabilitäten in zellulären Prozessen.

Details:

• Nützlich für Systeme mit hohem Grad an Unsicherheit oder Rauschen (z.B. Genexpression)
• Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik als Grundlage
• Gängige Modelle: Markov-Prozesse, Monte-Carlo-Simulationen
• Zentrale Gleichung: Master-Gleichung \( \frac{dP(i,t)}{dt} = \sum_j \left[ W_{ij}P(j,t) - W_{ji}P(i,t) \right] \) beschreibt zeitliche Änderung der Wahrscheinlichkeit \(P(i,t)\)
• Anwendungen: Populationsdynamik, Epidemie-Modelle, Wechselwirkungen zwischen Molekülen

Netzwerkmodellierung biologischer Systeme

Definition:

Modellierung der Wechselwirkungen zwischen biologischen Entitäten (z.B. Gene, Proteine) als Netzwerke, um deren dynamische Eigenschaften zu verstehen.

Details:

• Graphentheoretische Ansätze nutzen Knoten (biologische Entitäten) und Kanten (Wechselwirkungen).
• Typen: Genregulationsnetzwerke, Signaltransduktionsnetzwerke, Protein-Protein-Interaktionsnetzwerke.
• Mathematische Werkzeuge: Differentialgleichungen, stochastische Modelle, Bayes'sche Netze.
• Analysetechniken: Netzwerktopologie, Modularität, Zentralitätsmaße.
• Ziele: Verständnis von Systemfunktionen, Identifikation von Schlüsselmolekülen, Hypothesenbildung für Experimente.