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Open Access
Theorie zu kraftmikroskopischen Einzelmolekülexperimenten an Biopolymeren
(2004) Braun, Oliver; Seifert, Udo (Prof. Dr.)
Die räumliche Struktur von Proteinen und ihre Faltungsdynamik in lebenden Zellen wird wesentlich von der zugrundeliegenden Freien Energielandschaft bestimmt. Die systematische Untersuchung dieser Struktur und der Funktion von Biopolymeren ist eines der Gebiete der Biophysik. In den letzten Jahren wurden die dazu notwendigen Kraftmikroskope, wie das Rasterkraftmikroskop, die optische und magnetische Pinzette sowie die Biomembransonde und damit zusammenhängende experimentelle Techniken entscheidend weiterentwickelt. Einzelne Biopolymere können damit mechanisch manipuliert werden, indem Kräfte in der Größenordnung von pN angelegt werden. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der theoretischen Beschreibung solcher kraftmikroskopischer Experimente. Die zentrale Zielsetzung ist die Rekonstruktion der Freien Energielandschaft aus experimentellen Messdaten sowie aus Daten molekulardynamischer Simulationen. Zur Beschreibung der stochastischen Wärmebewegung der molekularen Systeme finden Konzepte der statistischen Physik Verwendung. Die experimentell angelegten zeitabhängigen Kräften lenken das Systeme zudem häufig aus dem thermischen Gleichgewicht aus. Daher benötigt man Hilfsmittel aus der Theorie der Nichtgleichgewichtsprozesse: die Langevin-Gleichung, die Fokker-Planck-Gleichung, die Mastergleichung und die Jarzynski-Gleichung. Für die verschiedenen biomolekularen Systeme, die hierbei untersucht werden, wie z.B. das Muskelprotein Titin, die DNA und Rezeptor-Ligand Systeme, werden verschiedene Modelle entwickelt und angewandt. Eine besonders wichtige Rolle für die Optimierung der Datenausbeute spielt das experimentelle Protokoll und dessen Parameter.