Βιοφυσική - Αρχές φυσικής βιοχημείας

Βιοφυσική - Αρχές φυσικής βιοχημείας

Επιμελητές: Γεώργιος Παπαδόπουλος, Κωνσταντίνος Αναγνωστόπουλος, Ηλίας Ηλιόπουλος, Μαρία Κοντού, Διονύσιος Κουλουγλιώτης, Δημήτριος Λεωνίδας, Εμμανουήλ Παπαμιχαήλ, Ιωάννης Τέντες

 
Από τον πρόλογο της Δεύτερης Αγγλικής Έκδοσης

Ποιοί είναι οι λόγοι που δικαιολογούν την αναθεώρηση ενός επιτυχημένου κειμένου; Νομίζουμε ότι υπήρξαν διάφοροι λόγοι που υπαγορεύσαν τη δεύτερη έκδοση του βιβλίου «Βιοφυσική - Αρχές φυσικής βιοχημείας». Ο κυριότερος είναι το γεγονός ότι αυτό το επιστημονικό αυτό πεδίο έχει αλλάξει – νέες μέθοδοι έχουν γίνει μείζονος σημασίας για τη μελέτη των βιοπολυμερών, όπως για παράδειγμα η φασματομετρία μάζας των μακρομορίων αλλά και οι μελέτες σε επίπεδο μορίου. Αυτές οι μέθοδοι έπρεπε να συμπεριληφθούν στο κείμενο για την αρτιότερη εκπαίδευση των σημερινών φοιτητών. Ορισμένες παλαιότερες τεχνικές βρίσκουν πλέον μικρή εφαρμογή και προβλέπεται διαρκώς να περιορίζεται η χρήση τους στο μέλλον ή ακόμα και να καταργηθούν. Επίσης, συνειδητοποιήσαμε ότι κάποια αναδιοργάνωση του κειμένου, θα αυξήσει τη χρησιμότητα και την αναγνωσιμότητά του. Τέλος, πάντα υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης του τρόπου παρουσίασης των θεμάτων με στόχο την καλύτερη κατανόησή τους από τους αναγνώστες.

Περιεχόμενα

Πρόλογος της δεύτερης αγγλικής έκδοσης

Κεφάλαιο 1 Βιολογικά μακρομόρια Επιμέλεια: Αναγνωστόπουλος Κ.
1.1 Γενικές αρχές
1.1.1 Μακρομόρια
1.1.2 Στερεοδιάταξη και διαμόρφωση
1.2 Μοριακές αλληλεπιδράσεις σε μακρομοριακές δομές
1.1.1 Ασθενείς αλληλεπιδράσεις
1.3 Το περιβάλλον μέσα στο κύτταρο
1.3.1 Δομή του νερού
1.3.2 Αλληλεπίδραση των μορίων με το νερό
1.3.3 Μη υδατικό περιβάλλον των βιολογικών μορίων
1.4 Σχέσεις συμμετρίας των μορίων
1.4.1 Κατοπτρική συμμετρία
1.4.2 Περιστροφική συμμετρία
1.4.3 Πολλαπλές σχέσεις συμμετρίας και ομάδες σημείου
1.4.4 Συμμετρία ελικώσεως
1.5 Η δομή των πρωτεϊνών
1.5.1 Αμινοξέα
1.5.2 Η μοναδική πρωτεϊνική ακολουθία
Εφαρμογή 1.1: Μουσικές ακολουθίες
1.5.3 Δευτεροταγής δομή των πρωτεϊνών
Εφαρμογή 1.2: Σχεδιασμός μιας καινούριας αναδίπλωσης
1.5.4 Ελικοειδής συμμετρία
1.5.5 Επίδραση του πεπτιδικού δεσμού στη διαμόρφωση των πρωτεϊνών
1.5.6 Η δομή των σφαιρικών πρωτεϊνών
1.6 Η δομή των νουκλεϊκών οξέων
1.6.1 Γωνίες στρέψης στην πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα
1.6.2 Η ελικοειδής δομή των πολυνουκλεϊκών οξέων
1.6.3 Δομές ανώτερης τάξης στα πολυνουκλεοτίδια
Εφαρμογή 1.3: Αποδοχή των διαφοροποιήσεων του RNA
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 2 Θερμοδυναμική και Βιοχημεία Επιμέλεια: Αναγνωστόπουλος Κ.
2.1 Θερμότητα, έργο, και ενέργεια-Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής
2.2 Μοριακή επεξήγηση των θερμοδυναμικών μεγεθών
2.3 Εντροπία, ελεύθερη ενέργεια και ισορροπία – Ο δεύτερος νόμος της Θερμοδυναμικής
2.4 Η πρότυπη κατάσταση
2.5 Πειραματική Θερμοχημεία
2.5.1 Η εξίσωση Van’t Hoff
2.5.2 Θερμιδομετρία
Εφαρμογή 2.1: Ο ανταγωνισμός είναι κάτι καλό
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 3 Μοριακή Θερμοδυναμική Επιμέλεια: Κουλουγλιώτης Δ.
3.1 Το σύνθετο πρόβλημα της μοντελοποίησης της μακρομοριακής δομής
3.1.1 Απλουστευτικές Υποθέσεις
3.2 Μοριακή Μηχανική
3.2.1 Βασικές αρχές
3.2.2 Μοριακά δυναμικά
3.2.3 Δυναμικά ομοιοπολικών δεσμών
3.2.4 Δυναμικά ασθενών αλληλεπιδράσεων
3.2.5 Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις
3.2.6 Αλληλεπιδράσεις διπόλου-διπόλου
3.2.7 Αλληλεπιδράσεις van der Waals
3.2.8 Δεσμοί Υδρογόνου
3.3 Σταθεροποιητικές αλληλεπιδράσεις στα μακρομόρια
3.3.1 Δομή πρωτεϊνών
3.3.2 Διπολικές αλληλεπιδράσεις
3.3.3 Αλληλεπιδράσεις πλευρικών αλυσίδων
3.3.4 Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις
3.3.5 Δομή νουκλεϊκών οξέων
3.3.6 Ζευγάρωμα βάσεων
3.3.7 Στοίβαξη βάσεων
3.3.8 Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις
3.4 Προσομοίωση της μακρομοριακής δομής
3.4.1 Ελαχιστοποίηση ενέργειας
3.4.2 Μοριακή Δυναμική
3.4.3 Εντροπία
3.4.4 Ενυδάτωση και το υδροφοβικό φαινόμενο
3.4.5 Μέθοδοι υπολογισμού ελεύθερης ενέργειας
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 4 Στατιστική θερμοδυναμική Επιμέλεια: Παπαδόπουλος Γ.
4.1 Γενικές αρχές
4.1.1 Στατιστικά βάρη και η επιμεριστική συνάρτηση
4.1.2 Μοντέλα δομικών μεταπτώσεων σε βιοπολυμερή
4.2 Δομικές μεταπτώσεις σε πολυπεπτίδια και πρωτεΐνες
4.2.1 Μεταπτώσεις τυχαίου σπειράματος σε έλικα
4.2.2 Στατιστικές μέθοδοι για την πρόβλεψη δευτεροταγούς δομής πρωτεϊνών
4.3 Δομικές μεταπτώσεις σε πολυνουκλεϊκά οξέα και DNA
4.3.1 Τήξη και ανόπτηση πολυνουκλεοτιδικών ζευγών
4.3.2 Ελικοειδείς μετατροπές σε δίκλωνο DNA
4.3.3 Δομικές μεταπτώσεις του DNA εξαρτώμενες από την υπερελίκωση
4.3.4 Πρόβλεψη ελικοειδών δομών σε γονιδιακό DNA
4.4 Μη συμμετρικές δομές
4.4.1 Τυχαίος περίπατος
4.4.2 Μέση γραμμική διάσταση βιοπολυμερούς
4.4.3 Απλά, ακριβή μοντέλα για συμπαγείς δομές
Εφαρμογή 4.1: LINUS: Μια ιεραρχική διαδικασία πρόβλεψης του αναδιπλώματος μιας πρωτεΐνης
Εφαρμογή 4.2: Χοάνη αναδίπλωσης: Εστιάζοντας στα βασικά
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 5 Μέθοδοι διαχωρισμού και χαρακτηρισμού μακρομορίων Επιμέλεια: Κοντού Μ.
5.1 Γενικές αρχές
5.2 Διάχυση
5.2.1 Περιγραφή της διάχυσης
5.2.2 Ο συντελεστής διάχυσης και ο συντελεστής τριβής
5.2.3 Διάχυση μέσα σε κύτταρα
Εφαρμογή 5.1: Μέτρηση της διάχυσης μικρών μορίων DNA σε κύτταρα
5.3 Καθίζηση
5.3.1 Καθίζηση μετακινούμενου μετώπου
5.3.2 Καθίζηση (υπερφυγοκέντρηση) ζώνης
5.3.3 Ισορροπία καθίζησης
5.3.4 Ισορροπία καθίζησης σε βαθμίδωση πυκνότητας
5.4 Ηλεκτροφόρηση και ισοηλεκτρική εστίαση
5.4.1 Ηλεκτροφόρηση: Γενικές αρχές
5.4.2 Ηλεκτροφόρηση νουκλεϊκών οξέων
Εφαρμογή 5.2: Εντοπισμός κάμψεων σε DNA με ηλεκτροφόρηση πηκτής
5.4.3 Ηλεκτροφόρηση πρωτεϊνών σε πηκτή με SDS
5.4.4 Μέθοδοι για την ανίχνευση και την ανάλυση συστατικών πάνω στις πηκτές
5.4.5 Τριχοειδής ηλεκτροφόρηση
5.4.6 Ισοηλεκτρική εστίαση
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 6 Περίθλαση ακτίνων Χ Επιμέλεια: Ηλιόπουλος Η.
6.1 Δομές σε ατομική ευκρίνεια
6.2 Κρύσταλλοι
6.2.1 Τί είναι ένας κρύσταλλος;
6.2.2 Ανάπτυξη κρυστάλλων
6.2.3 Συνθήκες για κρυστάλλωση μακρομορίων
Εφαρμογή 6.1: Κρύσταλλοι στο διάστημα!
6.3 Θεωρία της περίθλασης των ακτίνων Χ
6.3.1 Ο νόμος του Bragg
6.3.2 Οι συνθήκες von Laue για την περίθλαση
6.3.3 Αντίστροφος χώρος και περιθλασιγράμματα
6.4 Προσδιορισμός της μορφολογίας του κρυστάλλου
6.5 Επίλυση μακρομοριακών δομών με περίθλαση ακτίνων Χ
6.5.1 Ο παράγοντας δομής
6.5.2 Το πρόβλημα της φάσης
Εφαρμογή 6.2: Η κρυσταλλική δομή ενός παλιού και διακεκριμένου ενζύμου
6.5.3 Η ευκρίνεια στην περίθλαση των ακτίνων Χ
6.6 Περίθλαση ινωδών μακρομορίων
6.6.1 Η στοιχειώδης κυψελίδα της ίνας
6.6.2 Περίθλαση ίνας συνεχούς έλικας
6.6.3 Περίθλαση ίνας ασυνεχούς έλικας
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 7 Σκέδαση ακτινοβολίας από διάλυμα μακρομορίων Επιμέλεια: Λεωνίδας Δ.
7.1 Σκέδαση φωτός
7.1.1 Θεμελιώδεις αρχές
7.1.2 Σκέδαση από πλήθος μικρών σωματιδίων: Σκέδαση Rayleigh
7.1.3 Σκέδαση από σωματίδια με διαστάσεις συγκρίσιμες με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας ή και μεγαλύτερες
7.2 Δυναμική σκέδαση του φωτός: Μετρήσεις διάχυσης
7.3 Σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας
7.4 Σκέδαση νετρονίων μικρής γωνίας
Εφαρμογή 7.1: Χρήση συνδυασμού μεθόδων της Φυσικής για τον προσδιορισμό της διαμόρφωσης του νουκλεοσώματος
7.5 Σύνοψη
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 8 Κβαντική μηχανική και φασματοσκοπία Επιμέλεια: Κουλουγλιώτης Δ.
8.1 Φως και μεταπτώσεις
8.2 Αξιωματική προσέγγιση στην κβαντική μηχανική
8.3 Ενέργειες μετάπτωσης
8.3.1 Κβαντική μηχανική απλών συστημάτων
8.3.2 Προσεγγιστικές λύσεις σε προβλήματα κβαντικής χημείας
8.3.3 Το μόριο του υδρογόνου ως μοντέλο του ομοιοπολικού δεσμού
8.4 Εντάσεις μεταπτώσεων
8.5 Διευθύνσεις διπόλων μετάπτωσης
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 9 Φασματοσκοπία απορρόφησης Επιμέλεια: Παπαμιχαήλ Ε.
9.1 Ηλεκτρονιακή απορρόφηση
9.1.1 Ενέργεια των ηλεκτρονιακών ζωνών απορρόφησης
9.1.2 Δίπολα μετάπτωσης
9.1.3 Πρωτεΐνες
9.1.4 Νουκλεϊκά οξέα
9.1.5 Εφαρμογές της ηλεκτρονιακής φασματοσκοπίας απορρόφησης
9.2 Δονητική απορρόφηση
9.2.1 Ενέργεια των δονητικών απορρόφησης
9.2.2 Δίπολα μετάπτωσης
9.2.3 Οργανολογία για τη δονητική φασματοσκοπία
9.2.4 Εφαρμογές σε βιολογικά μόρια
Εφαρμογή 9.1: Ανάλυση φασμάτων IR πρωτεϊνών για τον προσδιορισμό της δευτεροταγούς τους δομής
9.3 Σκέδαση Raman
Εφαρμογή 9.2: Εφαρμογή της φασματοσκοπίας συντονισμού Raman για τον προσδιορισμό του τρόπου πρόσδεσης του οξυγόνου στις πρωτεΐνες μεταφοράς οξυγόνου
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 10 Γραμμικός και κυκλικός διχρωϊσμός Επιμέλεια: Παπαδόπουλος Γ.
10.1 Γραμμικός διχρωϊσμός βιολογικών πολυμερών
Εφαρμογή 10.1 Μέτρηση των κλίσεων των βάσεων σε πολυνουκλεοτίδια dAdT
10.2 Κυκλικός διχρωϊσμός βιολογικών μορίων
10.2.1 Ηλεκτρονιακός CD νουκλεϊκών οξέων
Εφαρμογή 10.2: Η πρώτη παρατήρηση της Z-μορφής του DNA έγινε με χρήση του CD
10.2.2 Ηλεκτρονιακός CD πρωτεϊνών
10.2.3 Ανάλυση ιδιαζουσών τιμών (SVD) και ανάλυση φασμάτων κυκλικού διχρωϊσμού που αφορούν στη δευτεροταγή δομή
10.2.4 Δονητικός CD
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 11 Φασματοσκοπία εκπομπής Επιμέλεια: Παπαμιχαήλ Ε.
11.1 Το φαινόμενο
11.2 Διάρκεια ζωής της εκπομπής
11.3 Φασματοσκοπία φθορισμού
11.4 Οργανολογία φθορισμομετρίας
11.5 Αναλυτικές εφαρμογές
11.6 Επιδράσεις του διαλύτη
11.7 Εξασθένηση του φθορισμού
11.8 Φθορισμός από μεταφορά ενέργειας μέσω συντονισμού
11.9 Γραμμική πόλωση του φθορισμού
Εφαρμογή 11.1 Απεικόνιση του c-AMP με φθορισμό
11.10 Εφαρμογή της φθορισμομετρίας σε πρωτεΐνες
Εφαρμογή 11.2 Διερεύνηση του πολυμερισμού της G-ακτίνης
11.11 Εφαρμογή της φθορισμομετρίας στα νουκλεϊκά οξέα
Εφαρμογή 11.3: Η ελικοειδής γεωμετρία του δίκλωνου DNA σε διάλυμα
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 12 Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Επιμέλεια: Κουλουγλιώτης Δ.
12.1 Το φαινόμενο
12.2 Το μετρήσιμο μέγεθος
12.3 Αλληλεπίδραση spin-spin
12.4 Αποκατάσταση και το πυρηνικό φαινόμενο Overhauser
12.5 Μέτρηση του φάσματος
12.6 Μονοδιάστατη φασματοσκοπία NMR (1D-NMR) μακρομορίων
Εφαρμογή 12.1 Μελέτη στοίβαξης των βάσεων DNA μέσω φασματοσκοπίας NMR
12.7 Διδιάστατο NMR μετασχηματισμού Fourier (FT-NMR)
12.8 Εφαρμογή του 2D FT-NMR σε μακρομόρια
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 13 Μακρομόρια σε διάλυμα: Θερμοδυναμική και ισορροπία Επιμέλεια: Τέντες Ι.
13.1 Μερικά θεμελιώδη για τη Θερμοδυναμική των διαλυμάτων
13.1.1 «Μερικά» γραμμομοριακά μεγέθη: Το χημικό δυναμικό
13.1.2 Χημικό δυναμικό και συγκέντρωση: Ιδανικά και μη ιδανικά διαλύματα
13.2 Εφαρμογές του χημικού δυναμικού σε φυσικές ισορροπίες
13.2.1 Ισορροπίες μεμβρανών
13.2.2 Ισορροπία καθίζησης
13.2.3 Ηλεκτροφόρηση σταθεροποιημένης κατάστασης
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 14 Χημικές ισορροπίες που περιλαμβάνουν μακρομόρια Επιμέλεια: Τέντες Ι.
14.1 Θερμοδυναμική χημικών αντιδράσεων σε διάλυμα: Ανασκόπηση
14.2 Αλληλεπιδράσεις μεταξύ μακρομορίων
14.3 Δέσμευση μικρών συνδετών από μακρομόρια
14.3.1 Γενικές αρχές και μέθοδοι
14.3.2 Πολλαπλές ισορροπίες
Εφαρμογή 141.1 Θερμοδυναμική ανάλυση της δέσμευσης οξυγόνου από την αιμοσφαιρίνη
14.3.3 Δέσμευση ιόντων από μακρομόρια
14.4 Δέσμευση σε νουκλεϊκά οξέα
14.4.1 Γενικές αρχές
14.4.2 Ειδικές όψεις της μη εξειδικευμένης δέσμευσης
14.4.3 Επίδραση ηλεκτροστατικών φαινομένων στη δέσμευση σε νουκλεϊκά οξέα
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 15 Φασματομετρία μαζών σε μακρομόρια Επιμέλεια: Κοντού Μ.
15.1 Βασικές αρχές: Το πρόβλημα
15.2 Ανάλυση μοριακών βαρών με φασματοσκοπία μαζών
15.3 Προσδιορισμός του μοριακού βάρους βιομορίων
15.4 Ταυτοποίηση βιομορίων με βάση τα μοριακά τους βάρη
15.5 Αλληλούχιση με φασματοσκοπία μαζών
15.6 Η φασματοσκοπία μαζών στη διερεύνηση της τριδιάστατης δομής
Εφαρμογή 15.1: Βρίσκοντας αταξία στην τάξη
Εφαρμογή 15.2: Όταν η κρυσταλλική δομή δεν είναι επαρκής
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Κεφάλαιο 16 Μονομοριακές μέθοδοι Επιμέλεια: Λεωνίδας Δ.
16.1 Γιατί να μελετήσουμε μεμονωμένα μόρια;
Εφαρμογή 16.1: Παρατήρηση της αναδίπλωσης και αποδιάταξης του RNA σε μονομοριακό επίπεδο
16.2 Παρατήρηση μεμονωμένων μορίων με φθορισμομετρία
16.3 Μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων (AFM)
Εφαρμογή 16.2: Μονομοριακές μελέτες ενεργού μεταγραφής από RNA πολυμεράση
16.4 Οπτικές λαβίδες
16.5 Μαγνητικά σφαιρίδια
Ασκήσεις
Βιβλιογραφία

Λύσεις των ασκήσεων με περιττή αρίθμηση

Αλφαβητικό Ευρετήριο