Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie: vom Atom bis zur Atmung - für Biologen, Mediziner und Pharmazeuten
Gespeichert in:
| Hauptverfasser: | , , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer Spektrum
2013
|
| Ausgabe: | 3., erw. und aktualisierte Aufl. |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch
Bachelor |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XVII, 510 S. Ill., zahlr. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783642366345 |
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1
Materie,
Energie,
Leben................................ 1
1.1 Kennzeichen des Lebendigen.........................
З
1.2 Teilen, Wachsen und Vermehren ....................... 4
1.3 Chemie und Physik als Basis ......................... 6
1.4 Formen, Strukturen und Funktionen in der Natur............. 8
1.5 Energetik-ohne Energieumsatz ist Leben nicht möglich........ 9
1.6 Leben und die Hauptsätze der Thermodynamik.............. 10
1.7 Experimente sind Fragen an die Natur.................... 11
1.8 Maße und Messsysteme............................. 14
1.8.1 Skalare und vektorielle Größen.......-............. 14
1.8.2 Basisgrößen und Basiseinheiten.................. 15
1.8.3 Abgeleitete Einheiten......................... 15
1.8.4 Messfehler............................... 18
1.8.5 Fehlerfortpflanzung.......................... 19
1.9 Fragen zum Verständnis............................. 20
Teil
I
Basiswissen Physik
2 Mechanik ......................................... 25
2.1 Masse........................................ 25
2.1.1 Die bekannte Materie im Universum ............... 26
2.1.2 Eigenschaften der Masse....................... 27
2.1.3 Massenkonstanz............................ 28
2.1.4 Volumen und Dichte ......................... 29
2.2 Bewegung..................................... 29
2.2.1 Bewegungsgröße Geschwindigkeit................. 29
2.2.2 Geradlinig gleichförmige Bewegung ............... 31
2.2.3 Geradlinig beschleunigte Bewegung................ 31
2.2.4 Kreisbewegung............................. 33
2.3 Kraft........................................ 34
IX
Inhaltsverzeichnis
2.3.1 Kraftbegriff............................... 34
2.3.2 Impuls.................................. 36
2.3.3 Kraftwirkung „Beschleunigung .................. 37
2.3.4 Kräftegleichgewicht und Kräfteaddition............. 37
2.3.5 Schwerkraft............................... 40
2.3.6 Trägheitskräfte............................. 41
2.3.7 Reibung................................. 42
2.4 Arbeit, Energie und Leistung ......................... 43
2.4.1 Arbeit.................................. 43
2.4.2 Energiebegriff............................. 44
2.4.3 Energieformen............................. 44
2.4.4 Energieerhaltung............................ 45
2.4.5 Leistung................................. 46
2.5 Drehungen am starren Körper......................... 46
2.5.1 Drehmoment und Hebel....................... 46
2.5.2 Trägheitsmoment........................... 48
2.5.3 Drehimpuls............................... 48
2.6 Verformung fester Körper........................... 49
2.6.1 Elastische und inelastische Verformung.............. 49
2.6.2 Arten der Verformung........................ 50
2.7 Flüssigkeiten und Gase............................. 51
2.7.1 Aggregatzustände........................... 51
2.7.2 Druck.................................. 51
2.7.3 Auftrieb................................. 53
2.7.4 Grenzflächenkräfte.......................... 54
2.7.5 Strömende Flüssigkeiten....................... 55
2.8 Schwingungen und Wellen........................... 58
2.8.1 Schwingungen............................. 58
2.8.2 Wellen.................................. 61
2.8.3 Schall .................................. 63
2.8.4 Elektromagnetische Wellen..................... 64
2.9 Fragen zum Verständnis............................. 65
Wärmelehre (Thermodynamik)........................... 67
3.1 Wärmemenge................................... 67
3.1.1 Temperatur............................... 67
3.1.2 Wärmemenge und Wärmekapazität................ 69
3.1.3 Erster Hauptsatz der Wärmelehre................. 70
3.1.4 Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre................ 71
3.1.5 Energie, Enthalpie und Entropie.................. 72
3.2 Kinetische Gastheorie.............................. 75
3.2.1 Ideales Gas............................... 76
Inhaltsverzeichnis
XI
3.2.2 Zustandsgieichung .......................... 77
3.2.3 Reale Gase............................... 78
3.3 Wärmetransport ................................. 78
3.3.1 Wärmeleitung ............................. 78
3.3.2 Wärmeströmung............................ 79
3.3.3 Wärmestrahlung............................ 79
3.4 Phasenübergänge................................. 81
3.4.1 Schmelz- und Siedepunkt...................... 81
3.4.2 Phasengleichgewichte ........................ 83
3.5 Fragen zum Verständnis............................. 83
4 Elektrizität und Magnetismus............................ 85
4.1 Elektrostatik.................................... 85
4.1.1 Ladung und Feld............................ 85
4.1.2 Potenzial und Potenzialdifferenz.................. 87
4.1.3 Kapazität und Dielektrikum..................... 88
4.1.4 Polarisation im elektrischen Feld.................. 89
4.2 Gleichstrom.................................... 90
4.2.1 Elektrischer Strom........................... 91
4.2.2 Widerstand............................... 92
4.2.3 Elektrische Energie und Leistung .....v............ 94
4.2.4 Strom- und Spannungsmessung .................. 94
4.3 Leitungsarten................................... 95
4.3.1 Leitung in Festkörpern........................ 95
4.3.2 Leitung in Flüssigkeiten....................... 97
4.3.3 Leitung in Gasen............................ 98
4.3.4 Freie Elektronen............................ 99
4.4 Magnetfelder................................... 99
4.4.1 Magnetfelder von Strömen ..................... 100
4.4.2 Magnetische Kraft und Drehmoment............... 101
4.4.3 Magnetismus.............................. 103
4.4.4 Induktion................................ 105
4.5 Wechselströme.................................. 107
4.5.1 Wechselspannung........................... 107
4.5.2 Leistung................................. 108
4.5.3 Widerstand............................... 109
4.5.4 Schwingkreis.............................. 110
4.6 Fragen zum Verständnis............................. 111
5 Optik............................................ 113
5.1 Licht........................................ 113
5.1.1 Entstehung von Licht......................... 115
XII Inhaltsverzeichnis
5.1.2 Lichteigenschaften .......................... 116
5.1.3 Photometrie............................... 117
5.1.4 Sehen und Lichtquellen ....................... 118
5.2 Geometrische Optik............................... 119
5.2.1 Geradlinige Ausbreitung des Lichts................ 119
5.2.2 Reflexion und Streuung ....................... 122
5.2.3 Regelmäßig gekrümmte Spiegel (Hohlspiegel)......... 123
5.2.4 Brechung................................ 124
5.2.5 Linsen und Abbildung........................ 127
5.2.6 Auge und Sehfehler.......................... 131
5.3 Wellenoptik.................................... 133
5.3.1 Wellennatur des Lichts........................ 133
5.3.2 Interferenz ............................... 134
5.3.3 Beugung................................. 134
5.3.4 Polarisation............................... 136
5.3.5 Absorption............................... 138
5.3.6 Farben.................................. 138
5.3.7 Röntgenstrahlung........................... 140
5.4 Optische Geräte.................................. 140
5.4.1 Lupe................................... 141
5.4.2 Mikroskop ............................... 141
5.4.3 Fernrohr und Fernglas ........................ 144
5.4.4
Spektrometer
.............................. 145
5.5 Fragen zum Verständnis............................. 145
Atom- und Kernphysik................................. 147
6.1 Atome ....................................... 147
6.1.1 Bestandteile und Größenordnungen................ 147
6.1.2 Elemente und Isotope......................... 149
6.2 Quantenmechanik................................ 150
6.2.1 Bau der Atomhülle.......................... 151
6.2.2 Orbitale................................. 153
6.3 Atomkerne..................................... 157
6.3.1 Kernkräfte................................ 157
6.3.2 Stabilität................................. 159
6.3.3 Radioaktivität ............................. 159
6.3.4 Zerfallsgesetz.............................. 162
6.3.5 Kernenergie............................... 162
6.4 Ionisierende Strahlung ............................. 164
6.4.1 Messgeräte............................... 165
6.4.2
Dosimetrie
............................... 166
6.4.3 Strahlenwirkung............................ 166
Inhaltsverzeichnis XIII
6.5 Das Periodische System der Elemente.................... 168
6.6 Stoffarten und Stoffgemische......................... 171
6.7 Fragen zum Verständnis............................. 172
Teil
II
Basiswissen Chemie
7 Aggregatzustände und Lösungen..........................177
7.1 Aggregatzustände sind veränderbar...................... 177
7.2 Wässrige Lösungen sind besondere Flüssigkeiten............. 181
7.3 Gase ........................................ 183
7.4 Flüssigkeiten und Lösungen.......................... 184
7.5 Feststoffe ..................................... 187
7.6 Mengen- und Konzentrationsangaben.................... 188
7.7 Das Avogadro sche Gesetz........................... 191
7.8 Diffusion und Osmose ............................. 192
7.9 Fragen zum Verständnis............................. 195
8 Chemische Bindung...................................197
8.1 Ionenbindung...................................198
8.1.1 Ionen und Kristallbildung......................199
8.1.2 Elektrolyse..................:............200
8.2 Kovalente Bindung: Atom- oder Elektronenpaarbindung........202
8.2.1 Polarisierte Atombindung......................206
8.2.2 Wasser als Lösemittel und Brückenbildner............208
8.2.3 Mehrfachbindungen in Gasmolekülen...............210
8.3 Koordinative Bindung..............................211
8.4 Metallische Bindung...............................215
8.5 Bindungen an Oberflächen und Katalyse..................215
8.6 Bindungen in Boden...............................216
8.7 Fragen zum Verständnis.............................218
9 Säuren, Basen, Salze..................................221
9.1 Säuren geben Protonen ab........................... 221
9.2 Basen nehmen Protonen auf.......................... 223
9.3 Salze entstehen beim Neutralisieren..................... 225
9.4 Ionennachweise.................................. 226
9.4.1 Farbreaktionen.............................226
9.4.2 Nachweis durch Fällung.......................228
9.5 Fragen zum Verständnis.............................229
10 Gleichgewichtsreaktionen...............................231
10.1 Massenwirkungsgesetz.............................232
XIV
Inhaltsverzeichnis
10.2 Das Prinzip vom kleinsten Zwang nach
Le Chatelier
........... 236
10.3 Anwendung des Le-Chatelier-Prinzips.................... 238
10.4 Systeme ohne Stillstand: Fließgleichgewichte............... 240
10.5 Dissipative Muster und biologische Oszillation.............. 241
10.6 Fragen zum Verständnis............................. 242
11
Redox-
und Säure/Base-Reaktionen........................243
11.1 Abgabe und Aufnahme von Elektronen und Protonen..........243
11.1.1 Oxidationszahl oder Oxidationsstufe............... 244
11.1.2 Aufstellen einer Redox-Gleichung................. 245
11.1.3
Redox-
oder Spannungsreihe.................... 248
11.2 Säure-Base-Reaktionen............................. 250
11.2.1 Protolyse und Protonenübertragung................250
11.2.2 Amphotere Stoffe...........................252
11.2.3 Erweiterung der Säure-Base-Definition..............252
11.2.4 Die Definition von Usanovich....................253
11.2.5 Harte und weiche Säuren und Basen (HSAB-Prinzip).....254
11.2.6 Dissoziationsgleichgewicht: Säure-und Basenstärke......254
11.3 Der pH-Wert - die Säure-Base-Reaktion des Wassers ..........255
11.4 Kationensäuren und Anionenbasen....................., 257
11.5 Hydrolyse.....................................258
11.6 Pufferung .....................................259
11.7 Konzentrationsbestimmung durch Titration.................260
11.8
Redox-
bzw. Säure-Base-Reaktionen in der belebten Natur.......261
11.9 Fragen zum Verständnis.............................263
Teil
III
Basiswissen Biochemie und Physiologie
12 Stoffe, Energie und Information...........................267
12.1 Energetische Aspekte.............................. 268
12.2 Chemiosmose, aktiver Transport und Gradienten............. 269
12.3 Information und Grundlagen der Reizbarkeit................ 272
12.4 Anpassung..................................... 273
12.5 Kooperative Systeme: Regelung und Steuerung.............. 277
12.6 Negative Rückkopplung ............................ 278
12.7 Fragen zum Verständnis............................. 280
13 Organische Kohlenstoffverbindungen - eine erste Übersicht........283
13.1 Organische Chemie und Biochemie sind nicht identisch......... 284
13.2 Organische Stoffe sind Kohlenstoffverbindungen............. 285
13.3 Alkane bilden die Basis der Biomoleküle.................. 286
13.4 Benennung organischer Verbindungen.................... 289
Inhaltsverzeichnis ___________________________________________________________
XV
13.5
Alkene
und Alkine sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe........ 292
13.6
Aromaten
sind besondere Kohlenstoffringe................. 295
13.7 Funktionelle Gruppen bestimmen die Reaktivität............. 298
13.8 Biologisch wichtige Stoffklassen....................... 299
13.8.1 Alkohole ................................ 299
13.8.2 Carbonylverbindungen: Aldehyde und
Ketone
......... 304
13.8.3 Carbonsäuren.............................. 305
13.8.4 Ester................................... 307
13.9 Wichtige Reaktionstypen organischer Moleküle.............. 309
13.9.1 Addition................................. 310
13.9.2 Substitution............................... 311
13.10 Fragen zum Verständnis............................. 313
14 Kohlenstoffhydrate................................... 315
14.1 Isomerien bei Monosacchariden........................ 316
14.2 Moleküldarstellung - die
Fi
scher-Projektion................ 318
14.3 Ringbildung der Monosaccharide (Halbacetale).............. 320
14.4 Glycosidbindungen bilden Oligo- und Polysaccharide.......... 323
14.5 Einige Zuckerderivate.............................. 328
14.6 Fragen zum Verständnis............................. 332
15 Aminosäuren,
Peptide,
Proteine..............j............. 333
15.1 Proteine bestehen aus Aminosäuren..................... 333
15.2 Einige Aminosäurederivate........................... 337
15.2.1 Decarboxylierung führt zu
Aminen
................ 338
15.2.2 Aus Aminosäuren leiten sich viele
Alkaloide
ab........ 339
15.2.3 Betalaine und Betaine sind weitere Aminosäurederivate . . . 340
15.3 Aminosäuren sind Zwitterionen........................ 341
15.4 Aminosäuren verbinden sich zu
Peptiden
.................. 342
15.5 Proteine haben eine dreidimensionale Struktur............... 344
15.5.1 Primärstruktur: Die Reihenfolge entscheidet........... 344
15.5.2 Sekundärstruktur: Bindungen
intra-
und intermolekular . . . . 345
15.5.3 Tertiärstruktur: Proteine mit Domänen und Motiven...... 348
15.5.4 Quartärstruktur: Komplexe Proteine mit Untereinheiten . . . . 348
15.6 Raumstruktur und Denaturierung....................... 349
15.7 Zur Funktion einiger
Peptide
......................... 350
15.8 Aufgabenfelder der Proteine.......................... 352
15.9 Fragen zum Verständnis............................. 354
16 Enzyme und Enzymwirkungen ........................... 355
16.1 Biochemische Reaktionen und Gleichgewicht............... 355
16.2 Katalysatoren erniedrigen die Aktivierungsenergie............ 356
XVI Inhaltsverzeichnis
16.3 Enzyme arbeiten hochspezifisch ....................... 358
16.4 Manche Enzyme benötigen Coenzyme ................... 360
16.5 Enzyme haben besondere kinetische Eigenschaften............ 362
16.6 Enzymaktivitäten werden reguliert...................... 364
16.6.1 Kontrolle der Enzymverfügbarkeit................. 364
16.6.2 Kontrolle der Enzymaktivität.................... 365
16.7 Die Enzymaktivität hängt von Temperatur und pH-Wert ab....... 370
16.8 Enzyme tragen genormte Bezeichnungen.................. 371
16.9 Fragen zum Verständnis............................. 372
17
Lipide
............................................ 375
17.1 Fettsäuren sind langkettige Monocarbonsäuren.............. 375
17.2 Fette sind die Glycerolester verschiedener Carbonsäuren........ 377
17.3 Biosynthese: Fettsäureketten wachsen um
Сг-Еіппекеп
......... 378
17.4 Strukturiipide bilden das Grundgerüst einer Membran.......... 380
17.5 Biomembranen enthalten Funktionsproteine................ 384
17.6 Fragen zum Verständnis............................. 388
18 Nucleotide und Nucleinsäuren............................ 389
18.1 Basen bilden Nucleoside und Nucleotide.................. 391
18.2 Zahlreiche Nucleotide bilden das Polynucleotid der DNA........ 393
18.3 Die Sekundärstruktur der
RNA
........................ 398
18.4 Fragen zum Verständnis............................. 400
19 Photosynthese ...................................... 401
19.1 Die Photosynthese gliedert sich in zwei Reaktionsbereiche....... 403
19.2 Lichtreaktionen: Pigmentsysteme wandeln Lichtenergie um...... 404
19.2.1 Die 1. Lichtreaktion: (^-Entwicklung und ATP-Bildung . . . 405
19.2.2 Die 2. Lichtreaktion erzeugt NADPH............... 409
19.3 Biochemie nach der Photochemie: der Calvin-Zyklus.......... 412
19.3.1 Phase 1: Ribulose-Lo-bisphosphat wird carboxyliert..... 413
19.3.2 Phase 2: Reduktion zum Kohlenhydrat.............. 413
19.3.3 Phase 3: Regeneration des COvAkzeptors............ 414
19.4 Photorespiration ist
СОг
-Abgabe
im Licht................. 416
19.5 C4-Weg der photosynthetischen C-Assimilation.............. 417
19.6 Photosynthese als komplexer Redox-Prozess................ 418
19.7 Fragen zum Verständnis............................. 419
20 Atmung........................................... 421
20.1 Die Kohlenhydratveratmung verläuft in zwei Teilprozessen....... 423
20.2 Die Glycolyse ist der Weg von der Hexose zum Pyruvat......... 424
20.3 Acetyl-Coenzym
A
ist das zentrale Verbindungsglied.......... 426
20.4 Der Citratzyklus ist ein Redoxprozess....................427
Inhaltsverzeichnis _____________ XV
20.5 Atmungskette: Gebundener Wasserstoff wird zu Wasser......... 428
20.6 Gluconeogenese: Zuckersynthese aus Abbauprodukten......... 432
20.7 Anaerobe Atmung................................ 433
20.8 Fragen zum Verständnis............................. 435
21 Gärung........................................... 437
21.1 Unterschiede im
terminalen
Elektronenakzeptor.............. 438
21.2 Umwandlung von Pyruvat zu
Ethanol
-die alkoholische Gärung . . . 439
21.3 Milchsäurebildung aus Pyruvat - Homolactische Gärung........ 440
21.4 Umschalten können - der
Pasteur-
Effekt.................. 441
21.5 Fragen zum Verständnis............................. 442
Antworten und Lösungen zu den Fragen ......................... 445
Zum Weiterlesen......................................... 479
Über die Autoren......................................... 483
Periodensystem.......................................... 485
Sachverzeichnis.......................................... 489
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Inhaltsverzeichnis
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2000 TC 1500 B219(3) |
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