Physikalisch-chemisches Praktikum für Studierende der Biologie - Cheatsheet

Grundlagen der Absorptions- und Emissionsspektroskopie

Definition:

Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie zur Analyse von Stoffen.

Details:

• Absorptionsspektroskopie: Messung der Lichtabsorption durch eine Probe
• Emissionsspektroskopie: Messung des von einer Probe emittierten Lichts
• Beide Methoden basieren auf den Übergängen von Elektronen zwischen Energieniveaus
• Beer-Lambert-Gesetz in der Absorptionsspektroskopie: \[ A = \textit{ε} \times c \times l \] A = Absorption, \textit{ε} = molarer Extinktionskoeffizient, c = Konzentration, l = Schichtdicke
• Spezifische Wellenlängen korrespondieren mit spezifischen Energieniveaus
• Anwendungen: Konzentrationsbestimmung, Strukturanalyse, Identifikation von Substanzen

UV/Vis-Spektroskopie zur Bestimmung von Biomolekülen

Definition:

Analytische Methode zur Bestimmung von Konzentrationen und Eigenschaften von Biomolekülen durch Absorption von UV/Vis-Licht

Details:

• Lambert-Beer'sches Gesetz: \[ A = \text{lg} \left( \frac{I_0}{I} \right) = \varepsilon \cdot c \cdot d \]
• A: Absorption, I_0: Intensität des einfallenden Lichts, I: Intensität des durchgelassenen Lichts, \varepsilon: molarer Extinktionskoeffizient, c: Konzentration, d: Schichtdicke
• Typische Anwendungen: Proteinkonzentration (bei 280 nm), Nukleinsäuren (bei 260 nm)
• Vorteil: Schnell, nicht-destruktiv, geringer Probenverbrauch
• Wichtig: Kalibration erforderlich, Störungen durch andere Substanzen möglich

HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie)

Definition:

HPLC ist eine Methode zur Trennung, Identifizierung und Quantifizierung von Komponenten in einem Gemisch.

Details:

• Verwendet eine flüssige mobile Phase
• Stationäre Phase besteht aus einem festen Material
• Trennung basiert auf Wechselwirkungen zwischen den Molekülen der Probe, der mobilen Phase und der stationären Phase
• Pumpen erzeugen hohen Druck (bis zu 400 bar)
• Detektion oft durch UV-Vis-Spektroskopie
• Anwendung in der Biologie zur Analyse von Proteinen, Nukleinsäuren und Metaboliten
• Hohe Empfindlichkeit und Präzision
• Wichtige Parameter: Flussrate, Säulenlänge, Partikelgröße der stationären Phase

SDS-PAGE zur Trennung von Proteinen

Definition:

SDS-PAGE zur Trennung von Proteinen basiert auf der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit von Proteinen in einem elektrischen Feld, wenn sie in einem Polyacrylamidgel gefangen sind.

Details:

• SDS (Natriumdodecylsulfat): Denaturiert Proteine, verleiht ihnen eine negative Ladung proportional zur Länge.
• PAGE (Polyacrylamidgelelektrophorese): Trennung der Proteine basierend auf ihrer Größe durch ein Gelmatrix.
• Laufpuffer: Enthält Tris-Glycin-SDS, das die Proteine im Gel antreibt.
• Ladepuffer: Setzt Proteine mit SDS und eine Reduktionsmittel (DTT oder β-Mercaptoethanol).
• Visualisierung: Nach der Elektrophorese werden Proteine typischerweise durch Coomassie-Brillantblau oder Silberfärbung sichtbar gemacht.
• Trennung: Kleine Proteine wandern schneller durch das Gel als große Proteine.

Michaelis-Menten-Kinetik enzymatischer Reaktionen

Definition:

beschreibt die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion von der Substratkonzentration

Details:

• Michaelis-Menten-Gleichung: \( v = \frac{{V_{max} [S]}}{{K_m + [S]}} \)
• \( v \): Reaktionsgeschwindigkeit
• \( V_{max} \): maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• \( [S] \): Substratkonzentration
• \( K_m \): Michaelis-Konstante; Substratkonzentration bei halber \( V_{max} \)
• \( K_m \) gibt Affinität des Enzyms zum Substrat an (niedriger \( K_m \) = höhere Affinität)
• Lineweaver-Burk-Diagramm: Doppelt-reziproke Darstellung zur Bestimmung von \( K_m \) und \( V_{max} \)
• \( \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max} [S]} + \frac{1}{V_{max}} \)

Massenspektrometrie zur Identifizierung von Biomolekülen

Definition:

Technik zur Bestimmung der Molekülmasse und Struktur biomolekularer Verbindungen mittels Ionisierung und Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses.

Details:

• Ionisierung: Umwandlung der Analyten in Ionen (häufige Methoden: ESI, MALDI)
• Massenseparation: Trennung der Ionen im Massenanalysator (häufige Analyzatoren: TOF, Quadrupol, Orbitrap)
• Detektion: Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses (\textit{m/z}) und Intensität der Ionen
• Datenanalyse: Matching der gemessenen Peaks mit bekannten Spektren
• Praktische Anwendungen: Proteomics, Metabolomics, Lipidomics

Grundgesetze der Thermodynamik

Definition:

Die Grundgesetze der Thermodynamik beschreiben die Prinzipien, nach denen Energie umgewandelt und übertragen wird.

Details:

• Erster Hauptsatz: Energieerhaltung. Energie kann weder geschaffen noch vernichtet, nur umgewandelt werden: \[ \Delta U = Q - W \]
• Zweiter Hauptsatz: Entropiezunahme. In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie niemals ab: \[ \Delta S \geq 0 \]
• Dritter Hauptsatz: Nernst'sche Theorem. Die Entropie eines perfekten Kristalls bei 0 K ist null. \[ S \rightarrow 0, \quad T \rightarrow 0 \]

Gelelektrophorese für DNA-Analysen

Definition:

Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente basierend auf ihrer Größe mithilfe eines elektrischen Feldes, das DNA durch ein Gelmatrix zieht.

Details:

• DNA ist negativ geladen und wandert zur Anode (+).
• Gelmatrix: Agarose oder Polyacrylamid.
• Kleinere Fragmente bewegen sich schneller durch das Gel.
• Farbstoffe wie Ethidiumbromid visualisieren DNA unter UV-Licht.
• Applikationen: Größenbestimmung, Genotypisierung, Klonierungsüberprüfung.