Biophysikalische Chemie

Die biophysikalische Chemie ist eine physikalische Wissenschaft , die Konzepte der Physik und der physikalischen Chemie zur Untersuchung biologischer Systeme anwendet . ^{[ 1 ]} Das Hauptaugenmerk der Forschung in diesem Bereich liegt auf der Erklärung verschiedener Phänomene in biologischen Systemen, entweder durch die Moleküle, aus denen das System besteht, oder durch die supramolekulare Struktur dieser Systeme. ^{[ 2 ]} Neben den biologischen Anwendungen wurden in jüngster Zeit auch Fortschritte im medizinischen Bereich erzielt. ^{[ 3 ]}

Die ältesten Konzepte der biophysikalischen Chemie gehen auf die Neugierde des Physikochemikers Karl Friedrich Bonhoeffer zurück, der biologische und physiologische Probleme mithilfe von Kenntnissen der Physik und Chemie angehen wollte. Ein Beispiel seiner Arbeit ist die Untersuchung der Wirkung von elektrischem Strom auf Eisen zur Simulation von Nervenreizungen . ^{[ 4 ]} Nach der Etablierung der biophysikalischen Chemie in Göttingen entwickelte der deutsche Nobelpreisträger Manfred Eigen diese weiter. 1971 erweiterte er den Forschungsschwerpunkt durch die Zusammenführung der Institute für Physikalische Chemie und Spektroskopie. ^{[ 5 ]} Heute zielt die biophysikalische Chemie in Göttingen darauf ab, mithilfe des kombinierten Wissens der Naturwissenschaften Lebensprozesse zu erforschen.

Der renommierte Wissenschaftler Herman Berendsen gründete an der Universität Groningen eine Forschungsgruppe, die sich mit der Anwendung der NMR-Spektroskopie zur Untersuchung von Wasser und Proteinen in biologischen Systemen befasst. ^{[ 6 ]} Die Studie erweitert das strukturelle Verständnis der Wasserbindung und erklärt damit zahlreiche Phänomene. ^{[ 7 ]}

Aktuelle Ansätze in der biophysikalischen Forschung umfassen unter anderem die Untersuchung von Ionenkanälen , Promotoren , Stammzellen sowie den Nachweis und die Analyse von Biomolekülen . ^{[ 8 ] [ 1 ]}

Biophysikalische Chemiker nutzen verschiedene Techniken der physikalischen Chemie, um die Struktur biologischer Systeme zu untersuchen. Zu diesen Techniken gehören spektroskopische Methoden wie die Kernspinresonanz (NMR) sowie andere Verfahren wie Röntgenbeugung und Kryo-Elektronenmikroskopie . Ein Beispiel für biophysikalische Chemie ist die Arbeit, für die 2009 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Dieser Preis basierte auf Röntgenkristallographie-Studien des Ribosoms , die dazu beitrugen, die physikalischen Grundlagen seiner biologischen Funktion als molekulare Maschine, die mRNA in Polypeptide übersetzt, zu entschlüsseln. ^{[ 9 ]} Weitere Forschungsgebiete biophysikalischer Chemiker sind die Proteinstruktur und die funktionelle Struktur von Zellmembranen . So lässt sich beispielsweise die Enzymwirkung durch die Form einer Tasche im Proteinmolekül erklären, die der Form des Substratmoleküls oder dessen Modifikation durch die Bindung eines Metallions entspricht. Die Strukturen vieler großer Proteinkomplexe, wie etwa der ATP-Synthase , zeigen ebenfalls maschinenartige Dynamiken bei der Reaktion mit ihren Substraten. In ähnlicher Weise lassen sich Struktur und Funktion der Biomembranen durch die Untersuchung von supramolekularen Modellstrukturen wie Liposomen oder Phospholipidvesikeln unterschiedlicher Zusammensetzung und Größe verstehen.

Es gibt zahlreiche biologische und medizinische Anwendungen, die das Wissen der biophysikalischen Chemie zum Nutzen der Menschheit einsetzen. ^{[ 10 ]}

Die Lipiddoppelschichtmembran ist eine Bezeichnung für die Zusammensetzung der Zellmembran . Dank des aktuellen Wissensstands und der Weiterentwicklung der Instrumente ist es möglich, Eigenschaften von Lipiddoppelschichten wie die Viskosität zu untersuchen . In dieser Studie wurde die Fluoreszenzspektroskopie eingesetzt, um zu zeigen, dass selbst bei Liposomen , die nur aus einer einzigen Phospholipiddoppelschicht bestehen, unterschiedliche Viskositätsgrade in der Membran nachweisbar sind. ^{[ 11 ]}

Verschiedene spektroskopische Methoden ermöglichen es modernen Wissenschaftlern, die kinetischen Komponenten von Proteinreaktionen in biologischen Systemen zu identifizieren. Darüber hinaus ist es möglich, biologische Reaktionen durch die Anwendung von Laserstrahlung zu modulieren und gezielt zu steuern. Beispielsweise kann die Proteinkristallisation mithilfe der sogenannten „ Laserfalle “ induziert werden. ^{[ 11 ]}

Riboflavin , allgemein bekannt als Vitamin B2, kann unter Lichteinwirkung und Sauerstoff verschiedene Reaktionen eingehen. ^{[ 12 ]} Eine wichtige Reaktion war die Synthese eines Hydrogels. Hydrogele sind poröse Materialien, die große Mengen Wasser speichern und dabei ihre Form beibehalten können. Sie finden Anwendung in Bereichen wie der Wirkstofffreisetzung, der Herstellung künstlicher Muskeln und dem Tissue Engineering. ^{[ 13 ]}

Enzyme sind Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen können. ^{[ 14 ]} Ihre Anwendung in der Praxis ist jedoch mit zahlreichen Einschränkungen verbunden, darunter Stabilität, Kompatibilität und Kosten. Mithilfe biophysikalischer Chemie lassen sich diese Einschränkungen verbessern und die Leistungsfähigkeit von Enzymen steigern. ^{[ 15 ]}

Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist das Molekül, das die Grundlage allen Lebens bildet. Darüber hinaus ist sie ein Hauptziel von Krebsmedikamenten. Die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Medikamenten und DNA ermöglicht es Forschern, Medikamente zu entwickeln, die Krebs wirksam behandeln können. ^{[ 3 ]}

Das älteste renommierte Institut für biophysikalische Chemie ist das Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen . ^{[ 16 ]}

Zu den Fachzeitschriften für biophysikalische Chemie gehören Biophysical Journal , Archives of Biochemistry and Biophysics (herausgegeben von Academic Press ), Biochemical and Biophysical Research Communications (Academic Press), Biochimica et Biophysica Acta ( Elsevier Science ), Biophysical Chemistry , An International Journal dedicated to the Physics and Chemistry of Biological Phenomena (Elsevier), Journal of Biochemical and Biophysical Methods (Elsevier), Journal of Biochemistry , Biology and Biophysics ( Taylor & Francis ) und Journal de Chimie Physique , Physico-Chimie Biologique ( EDP Sciences und die Société Française de Chimie ).

• Biophysikalische Techniken
• Biophysik
• Biochemie

• Cantor, Charles R.; Schimmel , Paul R. (1980). Biophysikalische Chemie – Teil I: Die Konformation biologischer Makromoleküle (1. Aufl.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711885Die
• Cantor, Charles R.; Schimmel , Paul R. (1980). Biophysikalische Chemie – Teil II: Techniken zur Untersuchung biologischer Struktur und Funktion (1. Aufl.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711907Die
• Cantor, Charles R.; Schimmel , Paul R. (1980). Biophysikalische Chemie – Teil III: Das Verhalten biologischer Makromoleküle (1. Aufl.). WH Freeman & Co Ltd. ISBN 0716711923Die
• Bruce, Martin, R. Einführung in die biophysikalische Chemie. Journal of Medical Education: September 1964 - Band 39 - Ausgabe 9 - S. 867 .{{cite book}}: CS1 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
• Cooper, Alan (09.11.2015). Biophysikalische Chemie . Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-78262-510-0Die