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Biophysik 2: zeitliche Grössenordnungen in biologischen Systemen.

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Biophysik 3: energetische Grössenordnungen in biologischen Systemen.

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bottom:.0001pt;text-align: right\'> 

bottom:.0001pt\'>Klassifikation in Teilgebiete

bottom:.0001pt\'>Die Biophysik kann sowohl aus physikalischer als auch aus biologischer Sicht in Teilgebiete klassifiziert werden. Eine physikalisch motivierte Unterteilung würde z.B. folgende Punkte enthalten:

bottom:.0001pt\'>1. (klassische) Mechanik, z.B.

bottom:.0001pt\'>- molekulare Mechanik (Konformationsanalyse von Biomakromolekülen),

bottom:.0001pt\'>- Mechanik von Biomembranen,

bottom:.0001pt\'>- Biomechanik von Knochen-Muskel-Systemen (Gang, Sprung, Flug).

bottom:.0001pt\'>2. Strömungsmechanik, z.B.

bottom:.0001pt\'>- Ultrazentrifugierung von Biomakromolekülen,

bottom:.0001pt\'>- Viskosität von Zellplasma,

bottom:.0001pt\'>- Rheologie, z.B. Hämodynamik,

bottom:.0001pt\'>- Hydrodynamik von Schwimmern,

bottom:.0001pt\'>- Aerodynamik des Fluges (Insekten, Vögel), usw.

bottom:.0001pt\'>Diese Auflistung zeigt schon, dass eine solche methodenorientierte Systematik die Besonderheiten des Forschungsobjektes nicht berücksichtigt und deshalb zusammenhangslos bleibt. Nur eine Klassifizierung der Biophysik nach den biologischen Organisationsniveaus macht grundlegende Aspekte der Konstruktion biologischer Systeme deutlich. Danach unterscheidet man:

bottom:.0001pt\'>1. Die molekulare Biophysik

bottom:.0001pt\'>Während Nukleinsäuren vor allem zur Speicherung und Weitergabe der genetischen Information dienen, bilden Proteine eine komplizierte Maschinerie zur Realisierung des genetischen Programms in Abhängigkeit und in Reaktion auf die wechselnden Umweltbedingungen. Lipide und Kohlenhydrate dienen als strukturelle Bausteine bzw. als Speicher für chemische Energie. Die molekulare Biophysik ist die Lehre von der Struktur, Dynamik, Wechselwirkung und Funktion von Biomakromolekülen - Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und Polysacchariden - als auch von den Methoden zu deren Untersuchung. Hierzu gehören vor allem die Strukturaufklärung von Biomakromolekülen bis hin zur atomaren Auflösung sowie die Analyse von Prozessen der Energieumwandlung und -dissipation in biologischen Systemen.

bottom:.0001pt\'>Ein neues Teilgebiet der molekularen Biophysik, die molekulare Bioinformatik, befasst sich mit der Analyse und Interpretation von biologischen Sequenzen, in welchen die genetische Information gespeichert ist. Ein grosser Schritt wurde 1995 getan, als es gelang, das komplette Genom des Bakteriums Haemophilus influenzae aufzuklären. Zu Beginn des 21. Jh. werden wahrscheinlich die Nukleinsäuresequenzen der Genome des Menschen, der Nutztiere und -pflanzen, der Krankheitserreger sowie vieler weiterer Organismen bekannt sein. Das zentrale und zum grössten Teil noch ungelöste Problem der molekularen Biophysik besteht in der Vorhersage der Raumstruktur und der Funktion von Proteinen, von denen bisher nur die Aminosäuresequenz bekannt ist.

bottom:.0001pt\'>Die molekulare Biophysik ist die Grundlage für alle anderen Teilbereiche der Biophysik. Das Verhalten kleiner Moleküle ist durch die Eigenschaften der enthaltenen Atome bestimmt. Erwartungsgemäss sollte die Kenntnis fundamentaler physikalischer und chemischer Gesetze ausreichen, um die Eigenschaften von Biomakromolekülen vorherzusagen. Da lebende Systeme letztendlich makromolekulare Assoziate sind, können mit den Mitteln der molekularen Biophysik die Einschränkungen für die Evolution auf höheren Organisationsebenen bestimmt werden.

bottom:.0001pt\'>2. Die Biophysik der Membranen, biomakromolekularen Aggregate und Organellen

bottom:.0001pt\'>In biologischen Systemen muss eine Vielzahl von teilweise gegensätzlichen Prozessen gleichzeitig ablaufen und unter Berücksichtigung mannigfaltiger Faktoren geregelt werden. Dieses Problem lösen lebende Systeme durch die Bildung von makromolekularen Komplexen und durch Kompartimentierung. Effektormoleküle (z.B. Enzyme) werden in ihrer Aktivität von einer Vielzahl anderer Proteine moduliert, mit denen sie grosse Aggregate formieren. Biologische Membranen unterteilen lebende Systeme in Kompartimente, räumliche Abschnitte, denen spezielle Aufgaben in der Lebenstätigkeit zugeordnet sind.

bottom:.0001pt\'>Dieser Teilbereich der Biophysik beinhaltet das Studium der Konstruktion biologischer Membranen, von Transportprozessen durch Membranen, der Genese des Membranpotentials, der synaptischen Vorgänge, der membranständigen enzymatischen Prozesse wie Photosynthese, Photorezeption und der Mechanochemie kontraktiler molekularer Aggregate etc. Die untersuchten Systeme sind in der Regel von solcher Komplexität, dass eine atomare Auflösung der untersuchten Struktur nicht mehr möglich ist.

bottom:.0001pt\'>3. Die Zellbiophysik und die Biophysik der Gewebe, Organe und einzelner Organismen

bottom:.0001pt\'>Die Zelle ist der Grundbaustein biologischer Systeme. Es gibt kein Leben ohne zelluläre Organisation auf der Erde. Im einfachsten Fall besteht ein Organismus aus einer einzigen Zelle (Einzeller). Wichtige Fragestellungen in diesem Teilgebiet der Biophysik betreffen die Thermodynamik lebender Systeme, Biomechanik und Biostatik, die Wirkung extremer physikalischer Faktoren auf biologische Systeme (z.B. Strahlenbiophysik, der Effekt von Schwerkraft, Druck, Temperatur und osmotisch-aktiver Substanzen (Antifreeze-Proteine, Eisnukleations-Proteine, Thermophilie, Halophilie)), sowie biophysikalische Aspekte der Ontogenese (u.a. des Alterns).

bottom:.0001pt\'>4. Die Biophysik von Populationen

bottom:.0001pt\'>Dieser Teilbereich wird auch oft die Biophysik komplexer Systeme genannt. Zu seinen Aufgaben zählt die Beschreibung von biologischen Evolutionsprozessen (u.a. auch der Phylogenese und der Entstehung des Lebens) und das Studium der Steuerung und der Informationsverarbeitung biologischer Systeme vom molekularen bis zum ökologischen Niveau. Typischerweise läuft eine biophysikalische Modellierung von Evolutionsprozessen auf die Analyse komplizierter partieller Differentialgleichungen hinaus, welche den Status von Populationen in Abhängigkeit von der Zeit beschreiben (Evolution, biologische, Kinetik, Populationsbiophysik).
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bottom:.0001pt\'>Anwendungen

bottom:.0001pt\'>Die Ergebnisse biophysikalischer Forschung haben im Zusammenhang mit den Erfolgen benachbarter Wissenschaftsrichtungen sowohl die Medizin als auch die Biotechnologie revolutioniert. Einige wenige Beispiele mögen dies illustrieren: Ohne bildgebende Verfahren und nichtinvasive diagnostische Techniken wie Röntgendiagnostik, Sonographie (Ultraschalldiagnostik), Szintigraphie oder Elektrokardiographie ist die moderne Medizin nicht vorstellbar. Neue Einsichten ergeben sich durch Schnittbilder oder Volumendarstellungen, welche mit computertomographischen Verfahren von inneren Organen und Geweben erzeugt werden können (Röntgencomputertomographie, Kernspintomographie, Positronen-Emissionstomographie). Es ist heute möglich, die genetische Information ganzer Genome zu lesen und zielgerichtet zu verändern. Zum ersten Mal eröffnet sich die Möglichkeit etiologischer Eingriffe in genetische Krankheiten. Gleichzeitig können biologische Systeme für Produktionszwecke genetisch manipuliert werden. Mit Methoden des Protein-Engineering und des Protein-Design werden massgeschneiderte Eiweisse mit gewünschten Eigenschaften erzeugt, welche in dieser Form in der Natur nicht vorkommen. Einsichten in den Aufbau und die Funktionsweise von Lebewesen werden bei der Konstruktion von neuen Computern (Neurocomputern) und technischen Bauteilen (z.B. Biosensoren) sowie in der Architektur angewandt (Bionik, Biotechnik).

bottom:.0001pt\'>Möglicherweise bringt die Anwendung biotechnischer Verfahren einen ähnlichen Innovationsschub verbunden mit Auswirkungen auf alle Bereiche der Gesellschaft wie es bei der Mikroelektronik und Informationstechnik der Fall war. Wie in allen menschlichen Tätigkeitsbereichen erfordern die gewaltigen neuen Möglichkeiten durch die modernen Biowissenschaften ein hohes Mass an Verantwortungsbewusstsein beim Umgang mit ihnen. Nur so lassen sich Missbrauch verhindern und gleichzeitig das darin liegende Potential zur Lösung von existentiellen Problemen der Menschheit nutzen.
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bottom:.0001pt\'>Literatur

bottom:.0001pt;line-height:normal\'>[1] W. Hoppe, W. Lohmann, H. Markl, H. Ziegler, Biophysik, Springer, Heidelberg-New York 1982.