Introduction to Biophysics

In diesem Modul werden einige grundlegende Konzepte und Methoden der theoretischen und experimentellen Biophysik gemeinsam eingeführt.

Folgende  Themen werden dabei behandelt:

• Strukturbestimmung von komplexen Molekülen
• Struktur- und Musterbildung in der Natur
• Reaktions Diffusions Prozesse
• Die Navier-Stokesgleichung und niedere Reynoldszahlen
• Molekularer Transport in der Biologie (Diffusion, molekulare Motoren)
• Physik der Elektrolyte, Poisson-Boltzmann-Gleichung, Debye-Hückel Theorie
• Nervenleitung, Nernst-Potential, Goldman-Katz-Gleichung, Huxley-Hodgkin-Gleichung
• Physik der medizinischen Bildgebung und der Lichtmikroskopie
• Grundlagen der Bildverarbeitung in der Biophysik

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

1. Methoden zu beschreiben, mit denen die Struktur von Biomolekülen untersucht wird.

2. Die Besonderheiten von Bewegungen bei niederen Reynoldszahlen zu beschreiben

3. Transportprozesse durch Diffusion oder molekulare Motoren zu berechnen.

4. Die Reichweiten von elektrischen Feldern in Elektrolyten zu berechnen.

5. Membranpotentiale und den Zeitverlauf von Nervenpulsen quantitativ zu beschreiben

6. Strukturbildungsprozesse in Nichtgleichgewicht durch Reaktions-/Diffusionsgleichungen zu beschreiben.

7. Abbildungsmethoden in der medizinischen Physik zu erläutern.

8. Grundlagen moderner Lichtmikroskopie und deren Anwendungen in der biophysikalischen Forschung zu erklären.

9. Moderne Methoden der Bildverarbeitung in der Biophysik zu erläutern.

Bei diesem Modul handelt es sich um eines der Spezialisierungsmodule des fünften Fachsemesters. Für die zugehörigen Lehrveranstaltungen werden 2 Semesterwochenstunden Vorlesung und 2 Semesterwochenstunden Übung angesetzt.

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
• H. Zabel: Medical Physics 1 & 2, De Gruyter, (2017)
• A. Oppelt: Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis, (2006)
• W. Schlegel, J. Bille: Medizinische Physik, Bd. 2, Springer, (2002)
• J. Als-Nielsen, D. MacMorrow: Elements of Modern X-Ray Physics, Wiley, (2011)
• W. Kalender: Computertomographie: Grundlagen, Gerätetechnologie, Bildqualität, Anwendungen, Publicis, (2006)
• Rafael Gonzales, Richard Woods, "Digital Image Processing", 3rd ed.
• Bernd Jähne, "Digitale Bildverarbeitung und Bildgewinnung", 7th ed.

There will be a written exam of 90 minutes duration. Therein the achievement of the competencies given in section learning outcome is tested exemplarily at least to the given cognition level using calculation problems and comprehension questions.

Participation in the exercise classes is strongly recommended since the exercises prepare for the problems of the exam and rehearse the specific competencies.