Physikalische Biochemie: Grundlagen der physikalisch-chemischen Analyse biologischer Prozesse

564 Pages·1992·15.64 MB·German

by  Professor Dr. Theodor Ackermann (auth.)

Springer-Lehrbuch
Theodor Ackermann
Physikalische
Biochemie
Grundlagen der
physikalisch-chemischen Analyse
biologischer Prozesse
Mit 274 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Professor Dr. Theodor Ackermann
Institut fiir Physikalische Chemie
Universitiit Freiburg
Albertstr. 23a
7800 Freiburg
ISBN-l 3:978-3-540-54055-7
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Ackermann, Theodor: Physikalische Biochemie: Grundlagen def physikalisch-chemischen Ana
lyse biologischcr Prozesse/Theodor Ackennann. Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris;
Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer. 1992 (Springer·Lehrbuch)
ISBN-13:978-3-540-54055-7 e-ISBN-13:978-3-642-84510-9
DOl: 10.1007/978-3-642-84510-9
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51/3020-5 4 3 2 1 0
Vorwort
Jede Entwicklung der Forschung in einem inter an mich herantrat, ein neues Buch zu diesem
diszipliniiren Bereich hat ihre Eigengesetzlichkeit. Thema zu verfassen, stellte sich zuniichst die
So hat sich aus ersten Versuchen, das Zusammen Frage, ob eine dem heutigen Stand der wissen
wirken von biologischen Strukturen in physiolo schaftlichen Erkenntnis angemessene Darstellung
gischen Prozessen mit physikalisch-chemischen des Fachgebietes allein durch eine griindliche
GesetzmiiBigkeiten zu erkliiren, in den vergan Neubearbeitung des Netterschen Buches zu erhal
genen Jahrzehnten ein Fachgebiet entwickelt, das ten sei. Nach Konsultation zahlreicher kompeten
heute mit der Bezeichnung "Physikalische Bio ter Fachkollegen und reiflicher Uberlegung habe
chemie" oder "Biophysikalische Chemie" recht ich mich nicht zu einer Neubearbeitung
zutreffend umschrieben und an einigen Hoch entschlieBen konnen. Angesichts des inzwischen
schulen auch bereits planmiiBig in der Lehre ver eingetretenen Zuwachses an theoretischen Er
treten wird. In den von den friihen Protagonisten kenntnissen und wichtigen experimentellen Be
dieser Disziplin veroffentlichten zusammenfassen funden muBte eine straffende Neugliederung des
den Abhandlungen findet oft noch ein gewisses Stoffes als unerliiJ3Jich angesehen werden.
Streben nach Rechtfertigung seinen Ausdruck. AuBerdem waren Grundauffassung, Form und
Daran sind die Zweifel der "Praktiker" jener UmriB des Netterschen Buches so sehr durch die
Jahre an den Moglichkeiten einer konsequenten Personlichkeit des Autors bestimmt, daB eine
Anwendung der Methoden der exakten Natur Neubearbeitung selbst durch einen mit seiner
wissenschaften auf die Probleme der empirischen Denk- und Arbeitsweise vertrauten Fachkollegen
biologischen und biochemischen Forschung un nahezu unmoglich erschien. Ich habe es daher auf
schwer abzulesen. Heute diirfte sich die Einsicht mich genommen, ein neues Buch zu schreiben.
durchgesetzt haben, daB eine sinnvoll begrenzte Der Inhalt dieses Buches ist aus den Erfahrungen
und gezielte Anwendung physikalisch-chemischer erwachsen, die in langjiihriger wissenschaftlicher
Methoden fUr die Losung spezieller physiologi Zusammenarbeit mit Biochemikern, Zellbiologen,
scher Probleme von groBem Wert sein kann und Molekularbiologen und Vertretern anderer an
daB viele wichtige neue Erkenntnisse ohne ein grenzender Fachgebiete sowie in intensiver Semi
derartiges methodisches Vorgehen gar nicht nararbeit und bei der Abhaltung von Vorlesun
erschlieBbar gewesen wiiren. Der Versuch einer in gen iiber spezielle Probleme der physikalischen
Buchform iibersichtlich gegliederten Darstellung Biochemie gewonnen worden sind. Bei der
wesentlicher theoretischer Grundlagen des Fach Abfassung des Textes sind keine besonderen Zuge
gebietes schien daher wohl erwiigenswert zu sein. stiindnisse an potentielle Abnehmer eines in Ge
Vorbilder fiir Ansiitze zu Darstellungen dieser genstandskatalogen fixierten, vorsortierten Exa
Art sind bekannt. Es sei hier nur an die erstmalig menswissens gemacht worden. Wer den Versuch
bereits im Jahre 1902 publizierte Monographie unternimmt, einen in stetiger Entwicklung befind
"Physikalische Chemie der Zelle und der Ge lichen Wissenschaftszweig auch nur in seinen
webe" von Rudolf Hober und an das 1959 er wichtigsten Grundziigen sachgemiiB und
schienene Buch "Theoretische Biochemie" von einigermaBen lebendig zu beschreiben, sollte sich
Hans Netter erinnert. Als der Verlag unter Hin nicht von fragwiirdigen pseudo-okonomischen
weis auf das Werk von Hans Netter mit der Bitte Erwiigungen lei ten lassen. Angesichts der heute
VI Vorwort
auch im Hochschulbereich vielfach anzutrelfen derer wichtiger experimenteller Methoden ist
den fiuchtig zusammengeschriebenen Sekundiirli auch im Hinblick auf verschiedene in neuerer Zeit
teratur sollte ihm vielmehr "die Vertreibung der erschienene Biicher mit iiberwiegend auf die
Skriptenhiindler aus dem Tempel" am Herzen Methodenbeschreibung ausgerichtetem Inhalt
liegen. Das Buch ist daher in erster Linie fur den vertretbar. Diese inhaltlich klar gegliederten und
an der Wissenschaft interessierten, aber uber Zu didaktisch gut aufbereiteten Darstellungen bilden
sammenhiinge zwischen physikalisch-chemischen eine willkommene Ergiinzung zu der mit diesem
Grundgesetzen und biochemischen Befunden Buch vorgelegten Beschreibung von grundsiitzli
noch giinzlich uninformierten Studenten be chen Fragestellungen und durch Experimente be
stimmt; es soll ihn zu einer selbstiindigen Erarbei wiesenen oder gestiitzten wissenschaftlichen Tat
tung des Verstehens biophysikalisch-chemischer sachen. Mit Rucksicht auf den Gesamtumfang des
GesetzmiiBigkeiten anregen. Deshalb wird es, wie Buches muBten auch verschiedene aktuelle
ich holfe, auch fur viele in ihrer Ausbildung fort Themen aus dem Bereich der Biophysik, Bio
geschrittene oder bereits in Praxis und For chemie, Molekularbiologie und Physiologie un
schung tiitige Naturwissenschaftler und Medi erwiihnt bleiben. Es handelt sich dabei im wesent
ziner als nutzliche Informations- und Einarbei lichen urn neuere Methoden und Erkenntnisse der
tungshilfe dienen konnen. Stolfwechsel- und Sinnesphysiologie, der Bio
Bei der ,Stolfauswahl sind ohne Anspruch auf chemie und der Molekulargenetik, einschlieBlich
Vollstiindigkeit zahlreiche fUr die Beschreibung der Biotechnologie und der Biomechanik sowie
des Grenzgebietes zwischen den Biowissenschaf urn grundsiitzliche theoretische Probleme der
ten und der physikalischen Chemie wichtige Selbstorganisation und priibiotischen Evolution
Themen in angemessenem Umfang berucksich des genetischen und enzymatischen Apparates.
tigt. Fur diese Auswahl war die Frage, ob es sich Dieser Mangel an Vollstiindigkeit wird dadurch
bei dem behandelten Gegenstand im Einzelfall urn gemildert, daB bereits eine bemerkenswert groBe
"Theoretische Biochemie", "Biophysik", "Mole Zahl ausgezeichneter Darstellungen der genann
kular- und Zellbiologie" oder gar "Physikalische ten Spezialgebiete in entsprechend konzipierten
Chemie" handelt, von giinzlich untergeordneter naturwissenschaftlichen und medizinischen Fach
Bedeutung. Die geschlossene Darstellung eines lehrbuchern vorliegt. Hinweise auf diese Lehr
zusammenhiingenden Themenkreises sollte Vor bucher, auf weiterfUhrende Literatur zu den in
rang haben. Zugunsten der Wiedergabe des wich diesem Buch behandelten Themen und zu den fUr
tigsten Tatsachenmaterials in Abbildungen und die biophysikalische Chemie typischen MeB
Tabellen, fur die der Verlag in groBzugiger Weise und Analysenverfahren sind im Anhang
weder Zeit noch Mittel gespart hat, wurde auf zusammengefaBt.
historische und hypothetische Ausfuhrungen Voraussetzung fUr die Lekture des Buches sind
weitgehend verzichtet. Urn die Diskussion der einige chemische und physikalische Grundkennt
wissenschaftlichen Fragestellungen und der nisse. Urn das Hauptziel einer zusammenfassen
Grundlagen fUr das Verstiindnis der bisher ge den Darstellung des relativ groBen Gesamtgebie
wonnenen Erkenntnisse nicht mit methodischen tes der "Physikalischen Biochemie" nicht zu
Erliiuterungen zu belasten, muBte die Beschrei verfehlen, wurde nicht versucht, dem Leser aile
bung von MeBverfahren auf ein unerliiBliches wichtigen Grundlagen der Physik und Chemie
Minimum und auf entsprechende Literaturhin noch einmal zu erkliiren. Verschiedene Monogra
weise beschriinkt werden. Schon der Versuch, eine phien mit iihnlicher Zielsetzung sind sicher als
dem heutigen Stand der Technik angemessene willkommene und nutzliche Hilfsbiicher zu be
enzyklopiidische Darstellung der fUr das Fachge trachten; sie stellen jedoch in ihrem wesentlichen
biet wichtigen spektroskopischen Methoden in Inhalt hiiufig nur einen durch einige attraktive
den Text aufzunehmen, hiitte den Rahmen eines Anwendungsbeispiele aus der Biochemie ver
einbiindigen Lehrbuches gesprengt. Der Verzicht dunnten NeuaufguB des in zahlreichen Biichern
auf eine Darstellung spektroskopischer und an- behandelten Stolfes der klassischen physikali-
Vorwort VII
schen Chemie dar. Die Vermehrung des Bestandes Gudrun Fretz, die den groBten Teil der ma
an derartigen Abhandlungen entsprach indessen schinellen Textverarbeitung fur mich besorgt hat.
nicht der fUr das hier vorgelegte Buch ange Ich danke auch Herrn Dr. Rainer Stumpe yom
strebten Zielsetzung. Es sollte vielmehr versucht Springer Verlag, der meine Bemuhungen urn die
werden, die typischen biophysikalisch-chemi Fertigstellung des Textes mit guten Ratschliigen
schen Aspekte des Fachgebietes in den Vorder und bemerkenswerter Geduld begleitet hat. Frau
grund zu stellen. Deshalb wurde bei der Textge Gaby Maas hat in der Herstellungsabteilung des
staltung eine besonders enge Verflechtung bio Verlages fUr eine rationelle Gestaltung des Text
chemischer und biophysikalischer Sachverhalte satzes und fUr konsequente AusfUhrung der Kor
angestrebt, urn Studenten und interessierten Wis rekturen gesorgt. Ihnen beiden danke ich fUr die
senschaftlern eine tragfiihige Grundlage fUr die gute Kooperation. Fur Hilfe beim Korrekturlesen
damit ohne gro{3e Schwierigkeiten zu bewiilti danke ich den Herren Dr. Michael Grubert, Dip!.
gende Einarbeitung in spezielle MeB- und Analy Chern. Rainer Knorle, Dip!. Chern. Ulf Niesar,
senmethoden zu schaffen. Dip!. Chern. Hans-Uwe Schmitz, Dip!. Chern.
Bei der Vorbereitung des Buchmanuskriptes Norbert Windhab, cando chern. Jurgen Isele und
bin ich von zahlreichen Fachkollegen und auch cando chern. Hubert Faller. Frau Ruth Lehmann
von meinen Mitarbeitern durch vielfiiltige Anre danke ich fUr ihre Mitarbeit bei der Erstellung des
gungen und Hinweise unterstutzt worden. Hier Stichwortverzeichnisses. Nicht zuletzt danke ich
konnen nicht aile Ratgeber und Helfer, denen ich auch meiner Frau und unseren Kindern, die
zu Dank verpflichtet bin, namentlich genannt wiihrend meiner Arbeit am Manuskript auf viele
werden. Die Liste ihrer Namen wurde sich von gemeinsame MuBestunden verzichten muBten und
Auhagen bis Zimmermann erstrecken. Aile, die damit auch einen Beitrag zum Zustandekommen
mir geholfen haben, durfen sic her sein, daB ich dieses Buches geleistet haben.
ihre freundliche Mitwirkung in guter Erinnerung
behalten werden. Besonders danken mochte ich Freiburg im Breisgau, Theodor Ackermann
Herrn Horst Geiger, der viele Abbildungsvor im Februar 1992
lagen gezeichnet oder neu gestaltet hat, und Frau
Inhalt
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grenzen und Moglichkeiten der physikalisch-chemischen Analyse
biologischer Erscheinungen ............................................... .
1. Teilchen und Krafte in molekularen Dimensionen und ihre Bedeutung fiir die Struktur
biologisch wichtiger Molekiile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Atome - Molekiile - Kristalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Das korpuskulare Bild vom Aufbau der Materie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Atomkerne, Elektronen und Photonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Die biochemische Bedeutung des Periodensystems der Elemente. . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.4 Bindungstypen und Bindungsmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.5 Schwache Wechselwirkungen und ihr Einftu13 auf die strukturelle Stabilitiit
molekularer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.1.6 Charge-Transfer-Prozesse in Biomolekiilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2 Fliissigkeiten und Elektrolytlosungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2.1 Biologische Funktionen ftiissiger Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2.2 Zur Problematik des Strukturbegriffs bei der Beschreibung ftuider Systeme . . . . . . 39
1.2.3 Wasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.2.4 Struktur und Wasserloslichkeit von Biomolekiilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.2.5 Einige Grundgesetze der physikalischen Chemie wii13riger Elektrolytlosungen .. . . 48
1.2.6 Der osmotische Druck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2. Transporterscheinungen, Ausgleichsvorgange und Verteilungsgleichgewichte. . . . . . . . . . . . 100
2.1 Allgemeine Grundlagen zur formalen Behandlung der Transporterscheinungen. . . . . . . . 100
2.1.1 Stationiire und instationiire Zustiinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.1.2 Wiirmetransport, Impulstransport, Stofft ransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.1.3 Wiirmetransport und Thermoregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.1.4 Physiologisch wichtige Gesetzmii13igkeiten der Stromungslehre. . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.2 Stofft ransport und Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.2.1 Das Zusammenwirken von Stromung, Diffusion und Permeation
in biologischen Prozessen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.2.2 Einige Grundgesetze der Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.2.3 Die Permeabilitiit von Membranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.2.4 Passiver und aktiver Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.3 Stoffaustausch und Gleichgewichte an Grenzftiichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.3.1 Verteilungsgleichgewichte und Austauschkinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.3.2 Die Bedeutung der Gasloslichkeit fiir den Gastransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
X Inhalt
2.3.3 Donnan-Gleichgewichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.3.4 Ionenaustausch-Gleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
2.3.5 Grenzfliichenkriifte und Adsorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.3.6 Biologisch wichtige Grenzfliichenreaktionen; Modellversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3. Die Selbstorganisation molekularer Aggregate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.1 Spreitung und Filmbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.1.1 Molekulare Struktur und Eigenschaften amphiphiler Substanzen . . . . . . . . . . . . . . 150
3.1.2 Platzbedarf und Zustand der MolekUle im Film. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.1.3 Modellversuche mit molekularen Schichtsystemen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.2 Mizellen, Doppelschichten und Vesikel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3.2.1 Charakteristika der Aggregationsgleichgewichte amphiphiler MolekUle. . . . . . . . . . 160
3.2.2 Ursachen der bevorzugten Bildung eines bestimmten Aggregattyps. . . . . . . . . . . . . 161
3.2.3 Physikalisch-chemische Eigenschaften von Lipid-Doppelschichten . . . . . . . . . . . . . 165
3.3 Einige Bcmerkungen tiber strukturelle und dynamische Eigenschaften
von biologischen Membranen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
3.3.1 Die chemischen Bausteine von Biomembranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
3.3.2 Anisotropie der Molektilbeweglichkeit, Ordnungsgrad und
Lipid-Phasen-Umwandlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.3.3 Ausscheidungsphiinomene, transversale und laterale Phasentrennung in Membranen 175
3.3.4 Geometrische Dimensionen und Membranfluiditiit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.3.5 Elektrische Eigenschaften von Membranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.3.6 Membranmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4. Biopolymere........................................................... 195
4.1 Der chemische Aufbau der wichtigsten makromolekularen Strukturbildner. . . . . . . . . . . 195
4.1.1 Polysaccharide..................................................... 195
4.1.2 Proteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.1.3 N ucleinsiiuren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
4.2 Wichtige Grundbegriffe zur physikalisch-chemischen Charakterisierung
von Biopolymeren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.2.1 Molekulargewichte.................................................. 212
4.2.2 Primiirstruktur, Sekundiirstruktur, Tertiiirstruktur und Quartiirstruktur. . . . . . . . . 215
4.2.3 Rheologische Eigenschaften von Biopolymeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
4.2.4 Denaturierung, Konformationsumwandlung und Kooperativitiit . . . . . . . . . . . . . . 249
4.2.5 Biopolymere als Polyelektrolyte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
4.2.6 Die Bindung kleiner MolekUle an Biopolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
5. Biochemische Energetik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.1 Der Energieflu13 in der Welt der Lebewesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.1.1 Elementare energetische Voraussetzungen fUr die Aufrechterhaltung
der Lebensvorgiinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.1.2 Fundamentalkomponenten der Lebensvorgiinge, Grundumsatz und
Leistungszuwachs, Ordnung und Informationsgehalt der Strukturen. . . . . . . . . . . . 292
5.1.3 Sonnenlicht als Quelle der biologischen Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
5.1.4 Die Kopplung von Photosynthese und Atmung im Kreislauf der Materie zwischen
Pflanzenwelt und Tierwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Inhalt XI
5.1.5 Chemische Energie und biologische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
5.1.6 Energiereiche Verbindungen als Speicher und Ubertrager von Energie. . . . . . . . . . 296
5.1.7 Arbeitsteilung und Kompartimentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.2 Grundbegrilfe der Thermodynamik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.2.1 Haupsatze, Zustandsgro13en, Gleichgewichtsbedingungen und Standardzustande . . 309
5.2.2 Freie Enthalpie, maximale Nutzarbeit und chemisches Potential. . . . . . . . . . . . . . . 332
5.2.3 Der Zusammenhang zwischen der freien Reaktionsenthalpie und
der elektromotorischen Kraft einer galvanischen Kette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5.2.4 Das elektrochemische Potential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
5.2.5 Der Gradient des elektrochemischen Potentials als schnell verfiigbare Energiequelle
fiir biochemische Synthesen und aktiven Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
5.2.6 Molekularstatistik und freie Energie, Zustandssummen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
5.2.7 Nichtgleichgewichts-Thermodynamik und Flie13gleichgewichte als energetische
Prinzipien aller biologischen Prozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
5.3 Energetische Aspekte und Gesetzma13igkeiten der Reaktionskinetik. . . . . . . . . . . . . . . . . 385
5.3.1 Grundbegrilfe der Formalkinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
5.3.2 Die Kinetik enzymatisch katalysierter Reaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
5.3.3 Oszillatorische Phanomene und dissipative Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
5.4 Photosynthese.......................................................... 465
5.4.1 Das grundlegende Konzept der Primar- und Sekundarprozesse und
die Hintereinanderschaitung von Lichtreaktion und Dunkelreaktion . . . . . . . . . . . 465
5.4.2 Energiewanderung in den Antennenpigmentsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
5.4.3 Photoreaktionen der Chlorophylle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
5.4.4 Elektronentransfer und Aufbau eines elektrischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
5.4.5 Molekulare Organisation der funktionellen Strukturbestandteile in
der Thylakoidmembran und in den angrenzenden Bereichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
5.4.6 Protonentranslokation, Protonenverschiebungswege und Phosphorylierung . . . . . . 496
5.4.7 Kriterien fiir die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Hypothesen fUr
die Deutung der photosynthetischen Phosphorylierungsmechanismen. . . . . . . . . . . 501
5.4.8 Dunkelreaktion und Calvin-Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
5.4.9 Einige erganzende Bemerkungen iiber Stickstolf-Fixierung, bakterielle Photosyn-
these, Leistungs- und Regulationsfragen und iiber pflanzliche Biosynthesen . . . . . . 509
Anhang
I. Einheiten und Umrechnungsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
2. Tabellen.............................................................. 518
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
Einleitung
Grenzen und Moglichkeiten Es besteht aber kein Zweifel daran, daB in den
der physikalisch-chemischen Analyse letzten lahrzehnten die gezielte Anwendung
biologischer Erscheinungen physikalisch-chemischer Methoden einen beacht
lichen Erkenntnisgewinn bei bestimrnten Frage
stellungen aus dem Bereich der Biologie erbracht
Die Biologie war zuniichst iiberwiegend auf die hat. Besonders deutlich wird das am Beispiel der
systematische Erfassung des iiuBeren Erschei Biochemie und der unmittelbar an diesen Wissen
nungsbildes der Spezies und auf das Studium der schaftszweig angrenzenden Fachgebiete. Stellver
makroskopisch wahrnehmbaren physiologischen tretend fiir zahlreiche andere in neuerer Zeit mit
GesetzmiiBigkeiten ausgerichtet. Heute hat sich physikalischen und chemischen Methoden er
die biologische Forschung in vie len Teilgebieten zielte Forschungsergebnisse seien hier nur folgen
zu einer Wissenschaft entwickelt, die mit den Me de Beispiele genannt:
thoden der Physik und Chemie molekulare Ursa
chen komplexer Lebensvorgiinge zu ergriinden Die Gewinnung von Aussagen iiber den mole
sucht. Diese Entwicklung ergab sich zwangsliiufig, kularen Aufbau und die Transporteigenschaften
wei I bereits die Charakterisierung der lichtmikro von Biomernbranen.
skopisch nicht mehr auflosbaren morphologi Die Ermittlung der riiumlichen Struktur biolo
schen Dimensionen extrem kleiner Organismen gisch wichtiger Makromolekiile mit den Metho
die Anwendung hochentwickelter physikalischer den der Rontgenstrukturanalyse.
Untersuchungsmethoden notwendig machte. Sie Die Erweiterung von Erkenntnissen iiber die
ist aber nicht nur durch die Erfordernissse der Struktur und Funktion der fUr den geregelten
experimentellen Methodik bedingt. Leben an sich Ablauf der oxidativen Energieumsiitze entschei
kann nur im Gegensatz zum toten Stoff definiert dend wichtigen Organellen (Mitochondrien).
werden. Aber die Giiltigkeit der Gesetze der ex Die Charakterisierung des Elektronenzustan
akten Naturwissenschaften erstreckt sich grund des der Eisen-Atorne in dem fUr den Sauerstoff
siitzlich ebenso uneingeschriinkt auf den Bereich transport der roten Blutkorperchen unerliiBlichen
des Lebendigen wie auf die Gesamtheit der unbe Hiirnoglobin mit den Methoden der MoBbauer
lebten Materie. 1m Prinzip sollte es daher moglich Spektroskopie und der Elektronenspin
sein, auch komplizierte physiologische Gesamt resonanz.
vorgiinge und die ihnen zugrunde liegenden Die weitgehende Aufkliirung der Prirniir
Strukturen durch eine sinnvolle Verkniipfung prozesse der pflanzlichen Photosynthese
quantitativ faBbarer physikalischer und chemi einschlieBlich der Photophosphorylierung durch
scher Elementarprozesse vollstiindig theoretisch Kombination verschiedener Verfahren mit den
zu erkliiren. Dies ist bis heute noch in keinem Fall Methoden der Blitzlichtspektroskopie.
gelungen. Das liegt an der auBerordentlich Die Entschliisselung des genetischen Codes der
groBen Kompliziertheit der dynamischen Lebens Proteinbiosynthese mit den Methoden der
vorgiinge. Die vielfiiltig verflochtenen physiologi Molekularbiologie.
schen Prozesse werden sich nur schrittweise durch Die Auflindung und strukturelle Charakterisie
konsequente Forschungsarbeit erschlieBen lassen. rung einer neuen Klasse von kovalent ringfOrmig