Biophysik
Biophysics

In diesem Modul werden die grundlegenden Konzepte der theoretischen und experimentellen Biophysik gemeinsam eingeführt. 

Folgende  Themen werden dabei behandelt:

Bausteine von lebenden Systemen

• Zucker
• DNA
• Proteine
• Strukturbestimmung von komplexen Molekülen

Enzymkinetik

• Michaelis Menten
• Allosterische Kontrolle

Struktur- und Musterbildung in der Natur

• Reaktions Diffusions Prozesse
• Embryonalentwicklung

Neurobiophysik

• Physik der Membranen/Selbstorganisation
• Nernst-Potential, Goldman Katz, Huxly-Hodgkin-Gleichung

Bioenergetik – Photobiophysik

• Photosynthetische Primärprozesse
• Fluoreszenz- und Energietransferprozesse

Aspekte der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik

• Onsager-Relation
• Entropieproduktion

Molekulare Wechselwirkungen

• Poisson-Boltzmann-Gleichung
• Solvens-vermittelte Wechselwirkungen

Simulations- und Modellierungsmethoden

• Monte-Carlo-Methoden
• Moleküldynamik-Methoden
• Modelle der Proteinfaltung

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage

1. Grundbausteine der Natur zu beschreiben und deren Beziehung zueinander aufzuzeigen
2. Enzymatische Prozesse quantitativ zu verstehen
3. Struktur- und Musterprozesse zu erkennen, quantitativ zu beschreiben und aus grundlegenden Mechanismen abzuleiten
4. Membranpotentiale und Nervenpulse quantitativ zu beschreiben
5. Phytophysikalische Prozesse nachzuvollziehen und zu erklären
6. Aspekte der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik zu bennen und zu erklären
7. Molekulare Wechselwirkungen quantitativ zu beschreiben, zu identifizieren und aus physikalischen Grundprinzipien abzuleiten
8. eine Breite Palette von Simulations- und Modellierungsmethoden zu beschreiben, die Limitierungen und Möglichkeiten zu beschreiben.

Bei diesem Modul handelt es sich um eines der Spezialisierungsmodule des sechsten Fachsemesters. Die zugehörigen Lehrveranstaltungen werden in der Regel "kompakt" angeboten. Das heißt, dass die für die Lehrveranstaltungen angesetzten Semesterwochenstunden (4V 2Ü) in den Wochen der ersten Semesterhälfte in komprimierter Form (8V 4Ü) dargeboten werden. Die restliche Vorlesungszeit verbleibt somit für die arbeitsintensive Endphase der Bachelor-Arbeit.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert. Stetige Querverweise auf die bereits früher vermittelten Grundlagen lassen die universellen Konzepte der Physik mehr und mehr erkennbar werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Tafelanschrieb bzw. Präsentation
Arbeitsunterricht (Übungsblätter): rechnen, Diskussionen und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff
Begleitende Informationen im Internet

• Alberts et al. : Molecular Biology of the Cell
• Nelson: Biological Physics
• Lodish et al: Molecular Cell Biology
• Stryer: Biochemistry
• Jones: Soft Condensed Matter
• Israelachvili: Intermolecular & Surface Forces
• Hiemenz: Principles of colloid and surface chemistry
• Sackmann and Merkel: Lehrbuch der Biophysik

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 40 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Wie lang benötigt ein Protein um durch eine Prokariontische Zelle zu diffundieren?
• Können sie quantenmechanische Simulationsmethoden benennen? was sind deren Limitierungen und warum?
• Welche Wechselwirkungskräfte in wässrigen Salzlösungen gibt es und welche Größe haben sie?
• Wie sind Proteine aufgebaut?