Mit Beiträgen zahlreicher Fachwissenschaftler

1 Bau der Zelle (Prokaryoten, Eukaryoten).

1.1 Eigenschaften der Zelle
1.1.1 Molekül - Organelle - Zelle - Organismus
1.1.2 Die Zelle als Grundeinheit des Lebens
1.1.3 Die Größe der Zelle
1.1.4 Protozyte und Euzyte
1.2 Zellorganellen
1.2.1 Plasmalemma
1.2.2 Zellkern
1.2.3 Grundplasma
1.2.4 Organellen aus einem Kompartiment
1.2.5 Zusammengesetzte Organellen
1.2.6 Zellhüllen und Zellverbindungen
1.3 Kern-und Zellteilung
1.3.1 Mitose
1.3.2 Meiose
1.3.3 Zellteilung
1.4 Evolution der Euzyte
1.5 Viren und Bakteriophagen
2 Der chemische Bau biologisch wichtiger Makromoleküle.
2.1 Einleitung
2.2 Nucleinsäuren und ihre Bausteine
2.2.1 Nucleotide als Bausteine
2.2.2 Die kovalente Polynucleotid-Struktur
2.2.3 Das Prinzip der Basenpaarung
2.2.4 Die Doppelhelix-Struktur der DNA
2.2.5 Eigenschaften der DNA
2.3 Proteine und ihre Bausteine
2.3.1 Aminosäuren als Bausteine
2.3.2 Das Prinzip der Verknüpfung
2.3.3 Eigenschaften der Aminosäuren
2.3.4 Die kovalente Struktur von Proteinen
2.3.5 Die Stabilisierung der Strukturelemente durch Wasserstoffbrücken (Sekundärstruktur)
2.3.6 Die Raumstruktur
3 Methoden zur Untersuchung struktureller und funktioneller Eigenschaften einzelner Biomoleküle sowie ganzer biologischer Systeme
3.1 Äußere Struktur
3.1.1 Allgemeines
3.1.2 Experimented Methoden
3.2 Innere Struktur und Funktion
3.2.1 Strukturanalyse mit Röntgenstrahlen
3.2.2 Diffuse Kleinwinkelstreuung von makromolekularen Lösungen
3.2.3 Strukturanalyse mit Elektronenstrahlen (Elektronenmikroskopie)
3.2.4 Lichtstreuung an Makromolekülen
3.2.5 Anwendung der Spektralphotometrie im UV- und sichtbaren Bereich
3.2.6 Die Anwendung der Photoakustischen Spektroskopie in der Biophysik
3.2.7 Wirkungsspektrometrie
3.2.8 ORD- und CD-Spektroskopie
3.2.9 Anwendung des Mößbauereffektes auf Probleme der Biophysik
3.2.10 Methoden zur Untersuchung schneller und funktioneller Eigenschaften einzelner chemischer Reaktionen
3.3 Elektronenspin-Resonanz-Spektroskopie
3.3.1 Einführung
3.3.2 Der Spin-Hamilton-Operator
3.3.3 ESR-Spektren von organischen Radikalen in Lösungen - Isotrope Hyperfeinaufspaltung
3.3.4 ESR-Spektren von organischen Radikalen im Festkörper - Anisotrope Hyperfeinaufspaltung
3.3.5 ESR-Spektren von anorganischen Radikalen - g-Faktor-Anisotropie
3.3.6 ESR von organischen Molekülen im Triplett-Zustand - Elektronen-Spin-Spin-Wechselwirkung
3.3.7 Relaxationszeiten und Linienform
3.3.8 Das ESR-Spektrometer
3.3.9 Verwandte Techniken - Mehrfachresonanzen
3.3.10 Anwendungen
3.4 Kernresonanzspektroskopie
3.4.1 Einleitung
3.4.2 Grundlegende Theorie
3.4.3 Experimentelle Technik
3.4.4 Biophysikalische Anwendungen der Kernresonanzspektroskopie
4 Intra-und Intermolekulare Wechselwirkungen
4.1 Einleitung
4.2 Primärstruktur
4.2.1 Teilchen
4.2.2 Atome
4.2.3 Bindungen
4.3 Wechselwirkungen zwischen Strukturbausteinen
4.3.1 Die Abstoßung von Elektronenpaaren
4.3.2 Elektrostatische Kräfte
4.3.3 Dispersionskräfte
4.3.4 Wasserstoffbrücken
4.4 Charge-Transfer-Reaktionen in Biomolekülen
4.5 Konformationsumwandlungen in Biopolymeren
4.5.1 Einleitung
4.5.2 Theoretische Behandlung
4.5.3 Experimentelle Beispiele
4.6 Polare Wechselwirkungen, Hydratation, Protonenleitung und Konformation biologischer Systeme -Ergebnisse infrarotspektroskopischer Untersuchungen
4.6.1 Grundlagen
4.6.2 Wechselwirkung und Konformation bei Polynucleotiden
4.6.3 Wasserstoffbrücken zwischen Seitengruppen, Protonenleitung, Hydratation und Konformation von Proteinen
4.6.4 Experimentelle Technik
4.7 Debye-Hückel-Theorie (Kräfte zwischen Molekülen in Lösung)
4.7.1 Debye-Hückel-Theorie
4.7.2 Quantenmechanische Diskussion
4.8 Polyelektrolyte und ihre Interaktionen
4.8.1 Einleitung
4.8.2 Polyelektrolyte in Salzlösungen
4.8.3 Polyelektrolyte an Grenzflächen
4.8.4 Polyelektrolyte in Komplexen
4.8.5 Ausblick
5 Energieübertragungsmechanismen
5.1 Allgemeine Grundlagen der Photophysik und Photochemie
5.1.1 Stationäre Zustande von Molekülen
5.1.2 Theoretische Grundlagen zur Beschreibung von Molekülzuständen
5.1.3 Übersicht über wichtige photophysikalische Prozesse
5.1.4 Mechanismen ausgewählter photophysikalischer Prozesse
5.1.5 Einige Anwendungen der Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie
5.1.6 Änderung der Basizität bzw. Acidität mit der Elektronenanregung
5.1.7 Fluoreszenzlöschung
5.1.8 Energiewanderung
5.1.9 Verzögerte Fluoreszenz
5.1.10 Photochemische Primärreaktionen
5.2 Energieübertragungsmechanismen
5.2.1 Klassische Betrachtung
5.2.2 Emittermolekül nahe an Absorberschicht
5.2.3 Energieübertragung in monomolekularen Schichtsystemen
5.2.4 Rückwirkung des Empfängermoleküls 2 auf das Sendermolekül 1
5.2.5 Emittermolekül im Echo eines Metallspiegels
5.2.6 Energieübertragung in kooperativen Systemen von Farbstoffmolekülen
6 Strahlenbiophysik.
6.1 Einleitung
6.2 Die Strahlung und ihre Messung
6.2.1 Strahlenarten
6.2.2 Wechselwirkung Strahlung-Materie
6.2.3 Dosis und Dosisleistung
6.2.4 Dosimetrie
6.3 Beschreibung und Deutung der Strahlenwirkung
6.3.1 Dosiseffektkurven und Treffertheorie
6.3.2 Direkte und indirekte Strahlenwirkung
6.3.3 Energieübertragungsprozesse, Reaktionsgeschwindigkeiten, Impulsphoto- und -radiolyse
6.4 Molekulare Strahleneffekte
6.4.1 Strahlenchemie des Wassers
6.4.2 Radikale und Molekularprodukte
6.4.3 Modifizierung der Strahlenwirkung
6.5 Strahlenwirkung auf Biomoleküle und molekulare Strukturen
6.5.1 Strahlenwirkung auf Proteine
6.5.2 Strahlenwirkung auf Nucleinsäuren
6.5.3 Strahlenwirkung auf Membranstrukturen
6.6 Strahlenwirkung auf Zellen und Organismen
6.6.1 Strahlenwirkung auf die Zelle
6.6.2 Genetische Strahlenwirkungen
6.6.3 Strahlenstimulation
6.7 Strahlengefährdung und Strahlenschutz
6.7.1 Natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
6.7.2 Strahlenschutz
7 Isotopen-Methoden in der Biologie
7.1 Einleitung
7.2 Stabile und radioaktive Isotope
7.2.1 Vergleichende Betrachtung
7.2.2 Stabile Isotope und die Prinzipien ihrer Messung
7.2.3 Radioaktive Isotope
7.2.4 Die wichtigsten Meßmethoden für radioaktive Isotope
7.3 Isotopeneffekte
7.3.1 Hauptursachen von Isotopeneffekten
7.3.2 Kinetische Isotopeneffekte und ihre Bestimmung
7.4 Analytische Isotopenanwendung
7.4.1 Aktivierungsanalyse
7.4.2 Isotopen-Verdünnungsanalysen
7.4.3 Radioimmunologische Analyse
7.5 Beispiele für Isotopenanwendungen
7.5.1 Verteilungsstudien
7.5.2 Stoffwechsel und Transport
7.5.3 Sterischer Verlauf von Enzymreaktionen an prochiralen Systemen
7.5.4 Isotopenaustauschstudien
8 Energetische und statistische Beziehungen
8.1 Allgemeines
8.2 Grundbegriffe der Gleichgewichtsthermodynamik
8.2.1 Erster Hauptsatz, Enthalpie
8.2.2 Zweiter Hauptsatz, Entropie, Freie Enthalpie, Gleichgewicht, maximale Nutzarbeit
8.2.3 Standardwerte der Zustandsgrößen
8.2.4 Grundreaktionsarbeit und Gleichgewichtskonstante
8.2.5 Chemisches Potential, Aktivität, Standardzustand
8.2.6 Phasengleichgewicht, Phasenregel
8.3 Interpretation thermodynamischer Größen durch die Molekularstatistik
8.3.1 Energieeigenwerte, Maxwell-Boltzmann-Verteilung, Zustandssummen
8.3.2 Zustandssummen und thermodynamische Funktionen, dritter Hauptsatz
8.3.3 Statistische Beschreibung des Gleichgewichts
8.4 Theorie der absoluten Reaktionsgeschwindigkeiten nach Eyring
8.4.1 Definition kinetischer Parameter
8.4.2 Theorie des Übergangszustandes
8.5 Energiefluß in der belebten Welt, ATP, Übertragungspotential
8.6 Irreversible Thermodynamik - Ein Überblick. Peter Schuster
8.6.1 Einleitung
8.6.2 Gleichgewicht - der Zustand perfekter dynamischer Kompensation
8.6.3 Die vier Hauptsätze der Gleichgewichtsthermodynamik
8.6.4 Reversible und irreversible Prozesse
8.6.5 Flüsse, Kräfte und Entropieproduktion
8.6.6 Lineare irreversible Thermodynamik
8.6.7 Weitab vom Gleichgewicht - Bifurkationen, mehrfache stationäre Zustände und räumliche Ordnung
8.6.8 Oszillationen, chemische Wellen und Molekulares Chaos
8.6.9 Schlußbemerkungen
8.7 Biologische Energiekonservierung
8.7.1 Einleitung
8.7.2 Die Grundprinzipien der funktionellen und strukturellen Organisation der bioenergetischen Fundamentalprozesse
8.7.3 Die Eigenschaften von ATP und dessen zentrale Rolle in der Bioenergetik
8.7.4 Mechanismus und Energetik des Umsatzes von gebundenem Wasserstoff mit O2
8.7.5 Biologische Energietransformationsprozesse
9 Enzyme als Biokatalysatoren
9.1 Einleitung
9.2 Wie wirken Enzyme?
9.3 Wie werden Enzyme reguliert?
9.4 Protein-Struktur (Globuläre Proteine)
9.4.1 Wie falten sich Proteine?
9.4.2 Bausteine
9.4.3 Konstruktions-(Sekundärstruktur-)elemente
9.4.4 Dreidimensionale Struktur
9.5 Beispiele
9.5.1 Proteasen
9.5.2 Immunglobuline
9.6 Strukturelle Organisation von Proteinen
9.6.1 Ketten, Bausteine und Stabilität
9.6.2 Organisationsschema
9.6.3 Hierarchie
9.6.4 Symmetrie
9.6.5 Evolution
10 Die biologische Funktion der Nukleinsäuren.
10.1 Einleitung
10.1.1 Allgemeines
10.1.2 Vorkommen und Struktur von Nukleinsäuren
10.2 Die Replikation der DNA
10.2.1 Organisation der DNA in der Zelle
10.2.2 Prinzipien der DNA-Replikation
10.2.3 Replikationsmodelle
10.2.4 Der Replikationsapparat
10.2.5 Reverse Transcriptase
10.3 Genexpression
10.3.1 Transcription
10.3.2 Prozessierung und Spleißen von RNA-Vorstufen
10.3.3 Die Translation
10.4 Regulation der Genexpression
10.4.1 Kontrollprozesse auf der Ebene der Transcription
10.4.2 Kontrolle anderer Schritte der Genexpression
11 Thermodynamik und Kinetik von Self-Assembly-Vorgängen.
11.1 Allgemeines
11.2 Lineare Assoziation
11.3 Gleichgewicht
11.4 Kinetik
11.5 Größenverteilung und Längenbestimmung
11.6 Andere Effekte
12 Membranen
12.1 Membran-Modelle
12.1.1 Einleitung: Vorkommen und Zusammensetzung von Biomembranen
12.1.2 Das Doppelschicht-Modell der Lipid-Anordnung in Biomembranen
12.1.3 Modelle der Protein-Anordnung in Biomembranen
12.1.4 Die Kohlenhydrat-Anordnung in Biomembranen
12.1.5 Zusammenfassung und Ausblick
12.2 Physikalische Grundlagen der molekularen Organisation und Dynamik von Membranen
12.2.1 Einleitung
12.2.2 Polymorphismus der Lipid/Wasser-Systeme
12.2.3 Molekulare Ordnung in Lipidschichten
12.2.4 Molekulare Dynamik und Transporteigenschaften
12.2.5 Elastische Eigenschaften von Lipidschichten und Membranen
12.2.6 Ladungsinduzierte Änderungen der Mikrostruktur von Membranen
12.2.7 Struktur und Eigenschaften von 2-dimensionalen Lipidlegierungen
12.2.8 Makromoleküle (Proteine) in Lipidschichten
12.2.9 Die Anwendung der Radikalsonden-(Spin-Label-)Technik in der Membranforschung
12.2.10 Anwendungsbeispiele
12.3 Membranpotentiale
12.3.1 Messung des Membranpotentials
12.3.2 Ursachen des Membranpotentials
12.3.3 Donnan-Potential
12.3.4 Diffusionspotentiale an Membranen
12.3.5 Beiträge elektrogener Ionenpumpen zum Membranpotential
12.4 Kontrolle von Differenzierung und Wachstum durch endogene elektrische Ströme
12.4.1 Einleitung: Das Problem "räumliche Entwicklung"
12.4.2 Die Zellmembran als Ort der Perzeption und Transduktion von Information
12.4.3 Elektrische Ströme bei Differenzierung und Wachstum von Zellen und Geweben
12.4.4 Eine neue Methode zur Messung von transzellulären Ionenströmen
12.4.5 Die Kontrollfunktion der natürlichen Ionenströme
12.5 Stofftransport durch biologische Membranen
12.5.1 Zusammensetzung und Struktur der Zellmembran
12.5.2 Phänomenologische Theorie des Membrantransports
12.5.3 Transport durch Diffusion
12.5.4 Transport durch Flußkopplung verschiedenartiger Substanzen
12.5.5 Aktiver Transport
12.5.6 Transport durch Bläschenbildung
12.6 Biophysik des Atemgastransportes
12.6.1 Teilprozesse des Atemgastransportes beim Menschen
12.6.2 Physikalische Grundlagen
12.6.3 Der Atemgastransport im Blut
12.6.4 Der Gasaustausch in der Lunge
12.6.5 Der Gasaustausch im Gewebe
13 Photobiophysik
13.1 Photosynthese
13.1.1 Einleitung
13.1.2 Energieleitungsprozesse
13.1.3 Photochemische Prozesse an den Reaktionszentren
13.1.4 Elektronentransferprozesse
13.1.5 Erzeugung elektrochemischer Potentiale durch vektoriellen Ladungstransport
13.1.6 Phosphorylierung
13.1.7 Zur Struktur der Thylakoidmembran
13.1.8 Schlußbetrachtungen
13.2 Photomorphogenese
13.2.1 Einleitung
13.2.2 Charakterisierung des Phytochroms in vivo
13.2.3 Intrazelluläre Lokalisation des Phytochroms
13.2.4 Charakterisierung des Phytochroms in vitro
13.2.5 Kinetische Aspekte der Phytochrom-Regulation
13.2.6 Bedeutung des Phytochroms im natürlichen Biotop
13.3.7 Schlußbemerkungen
13.3 Biolumineszenz
13.3.1 Einführung
13.3.2 Biolumineszenz der Glühwürmchen
13.3.3 Mechanismus der oxidativen Reaktion
13.3.4 Kinetik der Lichterzeugung
13.3.5 Lumineszenz bei Bakterien
13.3.6 Lumineszenz bei Meeresorganismen
14 Biomechanik
14.1 Die molekulare Physiologie von Kontraktilität und Motilität
14.1.1 Einleitung
14.1.2 Muskelphysiologie
14.1.3 Muskelmechanik und-energetik
14.1.4 Struktur des Skeletmuskels
14.1.5 Der Mechanismus der Verkürzung
14.1.6 Die Proteine des kontraktilen Apparates und ihre enzymatische Aktivität
14.1.7 Der Aufbau der Myofilamente
14.1.8 Die Anordnung der Filamente in der Überlappungszone
14.1.9 Die Regulation der Muskelaktivität
14.1.10 Die enzymatische Aktivität von Myosin und der Mechanismus der ATP-Hydrolyse
14.1.11 Versuch der Korrelation von Querbrückenzyklus und ATP-Hydrolyse
14.1.12 Kinetik der Querbrückenmechanik
14.1.13 Die Variabilität des Aktin-Myosin-Systems
14.1.14 Das Tubulin-Dynein-System
14.1.15 Struktur und Biochemie von Cilien und Flagellen
14.1.16 Der Mechanismus von Cilien- und Flagellenbewegung
14.1.17 Cytoplasmatisches Tubulin
14.1.18 Bakteriengeißeln
14.2 Biophysik der Fortbewegung auf dem Land
14.2.1 Biomechanik des Sprunges
14.2.2 Biomechanik des Stehens und Laufens
14.3 Biophysik der Fortbewegung im Wasser
14.3.1 Grundlegende strömungsmechanische Kenngrößen
14.3.2 Strömungsanpassung von Rümpfen schwimmender Tiere
14.3.3 Vortriebserzeugung bei schwimmenden Tieren
14.4 Biophysik der Bewegung in der Luft
14.4.1 Definition
14.4.2 Umfang und Problematik des Fachgebiets
14.4.3 Kinematik der Schlagflügel
14.4.4 Aerodynamik
14.4.5 Energetik
14.5 Biostatik
14.5.1 Definition
14.5.2 Dimensionsbetrachtung; biomechanische Konsequenzen der Absolutgrößen
14.5.3 Statische Systeme hoher Schlankheitsgrade
14.5.4 Kräfte und Momente
14.5.5 Biegebeanspruchung und Biegefestigkeit
14.5.6 Körper gleicher Festigkeit
14.6 Biomechanik des Blutkreislaufs
14.6.1 Vorbemerkung
14.6.2 Das Herz als Pumpe
14.6.3 Das Arteriensystem
14.6.4 Periphere Widerstandsgefäße (Mikrozirkulation)
14.6.5 Das Venensystem
14.6.6 Einstellung und Regelung der Kreislaufgrößen
14.7 Flüssigkeitsströme in Pflanzen
14.7.1 Einführung
14.7.2 Der Xylemtransport
14.7.3 Der Phloemtransport
15 Neurobiophysik
15.1 Erregung, Erregungsleitung und synaptische Übertragung
15.1.1 Einführung
15.1.2 Erregung
15.1.3 Elektrotonus und Fortleitung des Aktionspotentials
15.1.4 Chemische synaptische Übertragung
15.1.5 Elektrische synaptische Übertragung
15.2 Biophysik sensorischer Mechanismen
15.2.1 Grundzüge der Transduktionsmechanismen in Sinneszellen
15.2.2 Biophysik der Mechanorezeption
15.2.3 Molekulares Erkennen: Biophysik der Chemorezeption
15.2.4 Biophysik der Photorezeption
15.2.5 Biophysik der Elektrorezeption
15.2.6 Geo-Biophysik: Mediendruck, Schwerefeld, Magnetfeld und Organismen
16 Kybernetik
16.1 Informationstheorie und Kommunikationstheorie
16.1.1 Einleitung
16.1.2 Der einseitig gerichtete Nachrichtenkanal
16.1.3 Die bidirektionale Kommunikation
16.2 Einführung in die Kybernetik des Verhaltens am Beispiel der Orientierung im Raum
16.2.1 Gegenstand und Ziel
16.2.2 Regelung und Steuerung
16.2.3 Sinusförmige Lagemeldungen und ihre Konsequenzen
16.2.4 Bildung orthogonaler Komponenten
16.2.5 Leistungsmöglichkeiten und Leistungsgrenzen
16.2.6 Raum oder Raumfrequenz
16.3 Systemtheorie von Wahrnehmungsprozessen
16.3.1 Das System
16.3.2 Die 3-dimensionale Systemtheorie der homogenen Schichten
16.3.3 Die visuelle Detektion
16.3.4 Die visuelle Klassifikation
16.3.5 Aktive Wahrnehmung und Informationserzeugung
16.3.6 Schlußbemerkung
16.4 Systemanalytische Verhaltensforschung am Beispiel der Fliege
16.4.1 Einleitung
16.4.2 Eigenschaften linearer und nichtlinearer Systeme
16.4.3 Systemanalyse der musterinduzierten Flugorientierung von Insekten
16.4.4 Orientierungsverhalten gegenüber einer komplexen Umwelt
16.4.5 Nichtlineare Systemtheorie der musterinduzierten Flugorientierung
16.4.6 Von der makroskopischen zur mikroskopischen Beschreibung
16.4.7 Résumé und Ausblick
16.5 Zur Biophysik biologischer Oszillatoren
16.5.1 Einführung
16.5.2 Harmonische Schwingungen, Van der Polscher Oszillator
16.5.3 Störungen von Oszillatoren, Phasen-Response-Kurven
16.5.4 Ein anderer Blickpunkt: Rückkopplung
16.5.5 Kopplung mehrerer Oszillatoren
17 Evolution
17.1 Selbstorganisation der Materie und Evolution früher Formen des Lebens
17.1.1 Einleitung
17.1.2 Grundzüge des Modells
17.1.3 Allgemeine Modellaspekte und spätere Evolutionsstufen
17.1.4 Mathematische und numerische Details
17.1.5 Information und Kenntnis
17.1.6 Grundsätzliche Aspekte der Selbstorganisation von Materie zu lebenden Systemen
17.1.7 Evolution außerhalb der Biologie
17.1.8 Schlußbemerkungen
17.2 Vom Makromolekül zur primitiven Zelle - Das Prinzip der frühen Evolution
17.2.1 Einleitung
17.2.2 Was ist "Evolution"?
17.2.3 Irreversible Thermodynamik und Selbstreplikation
17.2.4 Die molekularen Mechanismen der RNS-Replikation
17.2.5 Der Evolutionsreaktor
17.2.6 Molekulare Selektion
17.2.7 Ein stochastisches Modell für die Selbstreplikation
17.2.8 Darwinsche Evolution von Polynukleotiden
17.2.9 Kooperation von selbstreplizierenden Elementen
17.2.10 Compartments und Individuen
17.2.11 Die Rolle einer veränderlichen Umgebung
17.2.12 Ein Modell für den Verlauf der frühen Evolution
17.3 Chemische Evolution und der Ursprung lebender Systeme
17.3.1 Einleitung
17.3.2 Ursprung des Lebens
17.3.3 Verbleibende Fragen.