Biophysik: eine Einführung
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| Published: |
Weinheim
Wiley-VCH-Verl.
2008
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| Series: | Lehrbuch Physik : Bachelor
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IX
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur englischen Ausgabe
VII
1 Einleitung 1
Übungen 6
Weiterführende Literatur 7
2 Chemische Bindungen 9
2.1 Quantenmechanik 9
2.2 Das Pauli-Prinzip 11
2.3 Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität und chemische Bindung 12
2.4 Elektronegativität und starke Bindungen 19
2.5 Sekundärbindungen 25
Übungen 26
Weiterführende Literatur 26
3 Energien, Kräfte und Bindungen 27
3.1 Interatomare Potenziale für starke Bindungen 27
3.2 Interatomare Potenziale für schwache Bindungen 33
3.3 Nichtzentrale Kräfte 36
3.4 Bindungsenergien 37
3.5 Federkonstanten 43
Übungen 44
Weiterführende Literatur 46
4 Reaktionsgeschwindigkeiten 47
4.1 Freie Energie 47
4.2 Innere Energie 49
4.3 Thermodynamik und statistische Mechanik 50
4.4 Reaktionskinetiken 60
4.5 Wasser, Säuren, Basen und wässrige Reaktionen 63
4.6 Strahlungsenergie 69
Übungen 72
Weiterführende Literatur 73
Χ Ι
Inhaltsverzeichnis
5 Transportvorgänge 75
5.1 Diffusion 76
5.2 Viskosität 82
5.3 Wärmeleitung 86
Übungen 87
Weiterfuhrende Literatur 88
6 Techniken und Methoden 89
6.1 Röntgenbeugungsanalyse und Molekülstruktur 89
6.2 Kernmagnetresonanz 100
6.3 Rastertunnelmikroskopie 104
6.4 Rasterkraftmikroskopie 107
6.5 Optische
Tweezer
109
6.6 Patch-Ciamp-Technik 114
6.7 Moleküldynamik 118
6.8 Potenzialenergie-Isolinien (PECT) 122
Übungen 125
Weiterführende Literatur 126
7 Biologische Polymere 129
7.1 Nucleinsäuren 130
7.2 Die Konformation von Nucleinsäuren: DNA 135
7.3 Die Konformation von Nucleinsäuren:
RNA
139
7.4 Proteine 141
7.5 Proteinfaltung 157
Übungen 164
Weiterführende Literatur 165
8 Biomembranen 167
8.1 Historischer Hintergrund 167
8.2 Membranchemie und Membranstruktur 172
8.3 Membranphysik 180
Übungen 191
Weiterführende Literatur 191
9 Biologische Energie 193
9.1 Energieverbrauch 193
9.2 Atmung 194
9.3 Photosynthese 196
9.4 ATP-Synthese 205
Übungen 212
Weiterführende Literatur 213
Inhaltsverzeichnis
XI
10 Bewegungen der Lebewesen 215
10.1 Bakterienbewegungen 215
10.2 Chemisches Gedächtnis bei primitiven Organismen 224
10.3 Muskelbewegung 226
10.4 Menschliche Arbeitsleistung 239
Übungen 241
Weiterführende Literatur 241
Π
Erregbare Membranen 243
11.1 Diffusion und Mobilität von Ionen 243
11.2 Ruhepotenzial 246
Übungen 251
Weiterführende Literatur 252
12 Nervensignale 253
12.1 Passive Reaktion 253
12.2 Nervenimpulse (Aktionspotenziale) 260
12.3 Das Nervensystem 271
Übungen 278
Weiterführende Literatur 278
13 Das Gedächtnis 281
13.1 Die Hebb'sche Lernregel 281
13.2 Neuronale Netzwerke 286
13.3 Autoassoziation 292
Übungen 298
Weiterführende Literatur 299
14 Bewegungssteuerung 301
14.1 Das Primat der Bewegung 301
14.2 Ballistische Steuerung in einem vereinfachten visuellen System 303
14.3 Höher entwickelte Steuerungsarten 308
14.4 Die heterogene Struktur der Muskelfasern 309
14.5 Zentrale Mustergeneratoren 312
14.6 Konditionierte Reflexe 316
14.7 Willenskraft und freier Wille 319
14.8 Welchen Zweck erfüllt das Bewusstsein? 325
14.9 Passiv versus aktiv bei der Abwicklung von Gedanken 330
14.10 Die maßgebliche Anatomie und Physiologie 334
14.11 Intelligenz und Kreativität 342
14.12 Schlusswort 345
Übungen 346
Weiterführende Literatur 346
XII
I
Inhaltsverzeichnis
Anhang
A:
Elemente der Quantenmechanik 349
A.l Quantelung der Energie 349
A.2
Atomstruktur
353
A3 Die Wellengleichung 353
A.4 Der quantenmechanische Tunneleffekt 356
Übungen 357
Weiterführende Literatur 358
Anhang B: Das Wasserstoffatom 359
B.l Der
Hamilton-Operator
359
B.2 Das Wasserstoffatom 360
B.3 Lösung der Gleichung
Φ
362
B.4 Lösung der Gleichung
Θ
362
В.
5 Lösung der Gleichung
R
363
B.6 Quantenzahlen und Energieniveaus 365
B.7 Wellenfunktkmen 366
Übungen 370
Weiterfuhrende Literatur 370
Anhang C: Wärmebewegung 371
C.l Ideale Gase 372
C.2 Flüssigkeiten 375
C.3 Entropie 377
Übungen 378
Weiterführende Literatur 378
Anhang D: Wahrscheinlichkeitsverteilungen 379
D.l Bernoulli-Experimente und die Binomialverteilung 379
D.2 Die
Poisson-
Verteilung 379
D.3 Die Gauss'sche Normalverteilung 380
Weiterführende Literatur 382
Anhang E: Differenzialgleichungen 383
Weiterführende Literatur 385
Sachverzeichnis 387 |
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IX
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur englischen Ausgabe
VII
1 Einleitung 1
Übungen 6
Weiterführende Literatur 7
2 Chemische Bindungen 9
2.1 Quantenmechanik 9
2.2 Das Pauli-Prinzip 11
2.3 Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität und chemische Bindung 12
2.4 Elektronegativität und starke Bindungen 19
2.5 Sekundärbindungen 25
Übungen 26
Weiterführende Literatur 26
3 Energien, Kräfte und Bindungen 27
3.1 Interatomare Potenziale für starke Bindungen 27
3.2 Interatomare Potenziale für schwache Bindungen 33
3.3 Nichtzentrale Kräfte 36
3.4 Bindungsenergien 37
3.5 Federkonstanten 43
Übungen 44
Weiterführende Literatur 46
4 Reaktionsgeschwindigkeiten 47
4.1 Freie Energie 47
4.2 Innere Energie 49
4.3 Thermodynamik und statistische Mechanik 50
4.4 Reaktionskinetiken 60
4.5 Wasser, Säuren, Basen und wässrige Reaktionen 63
4.6 Strahlungsenergie 69
Übungen 72
Weiterführende Literatur 73
Χ Ι
Inhaltsverzeichnis
5 Transportvorgänge 75
5.1 Diffusion 76
5.2 Viskosität 82
5.3 Wärmeleitung 86
Übungen 87
Weiterfuhrende Literatur 88
6 Techniken und Methoden 89
6.1 Röntgenbeugungsanalyse und Molekülstruktur 89
6.2 Kernmagnetresonanz 100
6.3 Rastertunnelmikroskopie 104
6.4 Rasterkraftmikroskopie 107
6.5 Optische
Tweezer
109
6.6 Patch-Ciamp-Technik 114
6.7 Moleküldynamik 118
6.8 Potenzialenergie-Isolinien (PECT) 122
Übungen 125
Weiterführende Literatur 126
7 Biologische Polymere 129
7.1 Nucleinsäuren 130
7.2 Die Konformation von Nucleinsäuren: DNA 135
7.3 Die Konformation von Nucleinsäuren:
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139
7.4 Proteine 141
7.5 Proteinfaltung 157
Übungen 164
Weiterführende Literatur 165
8 Biomembranen 167
8.1 Historischer Hintergrund 167
8.2 Membranchemie und Membranstruktur 172
8.3 Membranphysik 180
Übungen 191
Weiterführende Literatur 191
9 Biologische Energie 193
9.1 Energieverbrauch 193
9.2 Atmung 194
9.3 Photosynthese 196
9.4 ATP-Synthese 205
Übungen 212
Weiterführende Literatur 213
Inhaltsverzeichnis
XI
10 Bewegungen der Lebewesen 215
10.1 Bakterienbewegungen 215
10.2 Chemisches Gedächtnis bei primitiven Organismen 224
10.3 Muskelbewegung 226
10.4 Menschliche Arbeitsleistung 239
Übungen 241
Weiterführende Literatur 241
Π
Erregbare Membranen 243
11.1 Diffusion und Mobilität von Ionen 243
11.2 Ruhepotenzial 246
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Weiterführende Literatur 252
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12.1 Passive Reaktion 253
12.2 Nervenimpulse (Aktionspotenziale) 260
12.3 Das Nervensystem 271
Übungen 278
Weiterführende Literatur 278
13 Das Gedächtnis 281
13.1 Die Hebb'sche Lernregel 281
13.2 Neuronale Netzwerke 286
13.3 Autoassoziation 292
Übungen 298
Weiterführende Literatur 299
14 Bewegungssteuerung 301
14.1 Das Primat der Bewegung 301
14.2 Ballistische Steuerung in einem vereinfachten visuellen System 303
14.3 Höher entwickelte Steuerungsarten 308
14.4 Die heterogene Struktur der Muskelfasern 309
14.5 Zentrale Mustergeneratoren 312
14.6 Konditionierte Reflexe 316
14.7 Willenskraft und freier Wille 319
14.8 Welchen Zweck erfüllt das Bewusstsein? 325
14.9 Passiv versus aktiv bei der Abwicklung von Gedanken 330
14.10 Die maßgebliche Anatomie und Physiologie 334
14.11 Intelligenz und Kreativität 342
14.12 Schlusswort 345
Übungen 346
Weiterführende Literatur 346
XII
I
Inhaltsverzeichnis
Anhang
A:
Elemente der Quantenmechanik 349
A.l Quantelung der Energie 349
A.2
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353
A3 Die Wellengleichung 353
A.4 Der quantenmechanische Tunneleffekt 356
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Weiterführende Literatur 358
Anhang B: Das Wasserstoffatom 359
B.l Der
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B.2 Das Wasserstoffatom 360
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B.4 Lösung der Gleichung
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B.6 Quantenzahlen und Energieniveaus 365
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Weiterfuhrende Literatur 370
Anhang C: Wärmebewegung 371
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Anhang D: Wahrscheinlichkeitsverteilungen 379
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