530 Physik
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Um die von RAJEWSKY und WOLF aufgeworfene Frage nach dem Einfluß der DNS-Struktur auf die radiationschemische Veränderung der Basen zu untersuchen, wurde die DNS-Spirale bei einem Teil der Untersuchungen in dest. Wasser aufgelöst und mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Es ergab sich eine Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit der Basen, vor allem zu Beginn der Bestrahlung auf den Wert, den man bei der Bestrahlung der Monomerlösungen beobachtet. Bei Bestrahlung in 0,1 und 1-n. NaCl gelöster DNS sind dagegen die Basen gegen die Einwirkung der im Wasser gebildeten Radikale geschützt, solange sie innerhalb der intakten Spirale gebunden sind. Dieser strukturbedingte Schutzeffekt besteht nicht gegenüber der direkten Strahlenwirkung von UV-Licht. Dieses Ergebnis ist von strahlenbiologischem Interesse, da das Optimum der Strahlenwirkung auf den Mitoseablauf nach Arbeiten von CARLSON und GRAY in der frühen Prophase liegt17, also ebenfalls in einem Stadium, in dem die DNS-Spirale (vor der Verdoppelung) völlig aufgelöst ist. (Vgl. auch BACQ-ALEXANDER und FRITZ-NIGGLI.
Es wurde das Leitfähigkeitsverhalten von reinem, lufthaltigem Wasser bei kontinuierlicher und impulsgetasteter Röntgenbestrahlung (60 kV8) untersucht. Hierbei ergaben sich zwei einander überlagerte Effekte: 1. Ein der Röntgen-Dosisleistung proportionaler irreversibler Leitfähigkeitsanstieg, der vermutlich auf eine Strahlenreaktion des gelösten CO2 zurückzuführen ist, 2. eine reversible Leitfähigkeitserhöhung während der Bestrahlung, die sich mit der Entstehung einer Ionenart mit einer mittleren Lebensdauer von ca. 0,15 sec erklären läßt. Es wird angenommen, daß es sich dabei um Radikalionen O2⊖ handelt, welche durch die Reaktion der als Strahlungsprodukt entstehenden Η-Radikale mit dem gelösten Sauerstoff gebildet werden. Ein möglicher chemischer Reaktionsmechanismus wird angegeben, der zu befriedigender quantitativer Übereinstimmung der Versuchsergebnisse mit Ausbeutewerten und Reaktionskonstanten aus der Literatur führt.
Der Einfluß von Elektrodenpolarisation auf die Bestimmung der elektrischen Konstanten leitfähiger Substanzen wird untersucht; es wird gezeigt, daß der durch Polarisation bedingte Effekt auf die Kapazität um mehrere Zehnerpotenzen größer ist als der auf die Wirkwiderstandskomponente. Die Bestimmung der Dielektrizitätskonstante stark leitfähiger Materialien bei Niederfrequenz wird dadurch sehr erschwert. Die verschiedenen Möglichkeiten, Polarisationseinflüsse herabzusetzen, werden diskutiert und es wird gezeigt, daß einzig eine Messung mit verschiedenem Elektrodenabstand einwandfreie Ergebnisse gewährleistet, wenn Polarisation merklich auftritt. Eine bei biologischen Arbeiten öfter angewandte Methodik geht von der Voraussetzung aus, daß beim Austausch biologischen Materials gegen eine Salzlösung gleicher Beschaffenheit, wie sie intrazellular im biologischen Material vorliegt und in Kontakt mit den Elektroden steht, die Polarisationsimpedanz keiner Änderung unterliegt. Die Analyse eigener experimenteller Untersuchungen, über die berichtet wird, zeigt, daß diese Annahme nur berechtigt ist, wenn das biologische Material in so hinreichend großem Abstand von den Elektroden angeordnet wird, daß keine Schattenwirkung auftreten kann. In allen anderen Fällen ist sie falsch, und Arbeiten, die dem nicht Rechnung tragen, sind kritisch zu bewerten.
Es wird eine einfache und billig herzustellende Resonanzanordnung beschrieben, mit der genaue Bestimmungen elektrischer Impedanzwerte und Materialkonstanten im Dezimeterwellenbereich durchführbar sind. Prinzip der Methode, Meßbereich, Genauigkeit und Einzelheiten des Aufbaues werden angegeben und an einigen Beispielen erläutert.
Eine einfache Methode wird erklärt, die es gestattet, genaue Aussagen über das Verteilungsgesetz elektrischer Relaxationszeiten in frequenzabhängigen Dielektrika zu machen. Die Methode setzt die Gültigkeit einer verallgemeinerten Form des von Cole und Cole formulierten Verteilungsgesetzes elektrischer Relaxationszeiten voraus. Sie basiert auf der Tatsache, daß dielektrische Verluste. die bei wesentlich kleineren Frequenzen als der mittleren charakteristischen Frequenz bestimmt werden, außerordentlich empfindlich sind gegen geringe Änderungen im Verteilungsgesetz. Die Methode wird am Beispiel dielektrischer Messungen an Wasser demonstriert. Die Auswertung eigener Messungen ergibt, daß sich im Rahmen der erzielbaren hohen Genauigkeit das dielektrische Verhalten von Wasser durch eine einzige Relaxationszeit charakterisieren läßt.
Bei der UV-Bestrahlung (2537 Å) des Zn-Insulins beobachtet man für kleinere Dosen (bis 10 Einstein/Mol) eine direkte Korrelation zwischen der Inaktivierung und der Photoreduktion einer der drei Disulfidbrücken. Mit steigender Dosis wird die Quantenausbeute für die Reduktion der Disulfidbrücken (Bildung von SH-Gruppen) sehr klein, dagegen führen dann andere Prozesse zunehmend zur photochemischen Zerstörung der Disulfidbrücken. Für größere Strahlendosen (über 100 Einstein/Mol) ergibt die Extrapolation, daß für die völlige Inaktivierung des Insulins sämtliche drei Cystinreste zerstört werden müssen. Von den übrigen Aminosäuren wird durch Dosen um 100 Einstein/Mol nur der Tyrosin-Anteil signifikant vermindert. Mit steigender Strahlendosis ändert sich — wahrscheinlich infolge von Konformationsänderungen der Polypeptidketten — die Photosensibilität der Aminosäuren.
Es wurde der Einfluß von Röntgenbestrahlungen auf die Lebensfähigkeit und das Formbildungs-Vermögen kernloser Zellteile von Acetabularia mediterranea in Abhängigkeit von der Strahlendosis untersucht. Dabei erwies sich die Hutbildung stets als der am strahlenempfindlichste Prozeß. Die gefundenen Ergebnisse werden diskutiert und mit den entsprechenden Befunden nach UV-Bestrahlung verglichen.
Es wird der Einfluß von Röntgenstrahlen und ultravioletten Strahlen verschiedener Wellenlängen auf kernhaltige Zellteile von Acetabularia mediterranea untersucht. Die Röntgenbestrahlung führt zu einer Verminderung des Regenerationsvermögens der Zellteile, zu einer Verringerung der Cystenbildung der Regenerate und zu einer Herabsetzung der Lebensfähigkeit der Cysten. Erst nach einer Dosis von 400 kr ist das Regenerationsvermögen fast völlig zerstört. Die Fähigkeit zur Bildung fortpflanzungsfähiger Gameten geht bereits nach 40 kr verloren. Die Wirkung von UV-Bestrahlungen ist demgegenüber sehr gering. Es wird geschlossen, daß die beobachteten Leistungen der kernhaltigen Zellteile wesentlich durch den Zellkern bestimmt sind, der im Rhizoid gegen die UV-Strahlung weitgehend abgeschirmt ist. Erfolgt eine vollständige Regeneration bis zur Hutbildung, so scheinen Größe und Gestalt der ausgewachsenen Regenerate nicht wesentlich von der Röntgenbestrahlung beeinflußt zu sein. In den meisten Fällen bilden Hutregenerate auch Cysten.
Es wird versucht, die Treffertheorie auf die indirekte Strahlenwirkung auszudehnen. Dazu wird angenommen, daß durch die Strahlung „Energieträger“ erzeugt werden, die durch Diffusion zu den „empfindlichen Bereichen“ gelangen und diese verändern können.
Der Berechnung des Wirkvolumens für derartige „indirekte Treffer“ folgt eine reaktionskinetische Betrachtung der indirekten Wirkung.
Durch die Einschaltung physikalisch-chemischer Prozesse zwischen Strahlenabsorption und „Treffer“ erscheint eine Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Gegebenheiten im bestrahlten Objekt viel eher möglich als in der „klassischen“ Theorie der „direkten Trefferwirkung“.
Es wurde die Einwirkung monochromatischer ultravioletter Strahlen der Wellenlänge 254 mμ, 281 mμ und 297 mμ auf kernlose Zellteile von Acetabularia untersucht. Dazu wurden in Abhängigkeit von der Strahlendosis die mittlere Lebensdauer und das Formbildungs-Vermögen der kernlosen Teile bestimmt. Der 254-mμ-Strahlung kam dabei stets die größte biologische Wirksamkeit zu, während die 297-mμ-Strahlung im untersuchten Dosisbereich fast ohne Wirkung blieb. Die gefundene Wellenlängen-Abhängigkeit weist darauf hin, daß der UV-Absorption durch die Purine und Pyrimidine für den Wirkungsmechanismus der beobachteten UV-Schädigungen kernloser Zellteile besondere Bedeutung zukommen muß.
Complex I couples the free energy released from quinone (Q) reduction to pump protons across the biological membrane in the respiratory chains of mitochondria and many bacteria. The Q reduction site is separated by a large distance from the proton-pumping membrane domain. To address the molecular mechanism of this long-range proton-electron coupling, we perform here full atomistic molecular dynamics simulations, free energy calculations, and continuum electrostatics calculations on complex I from Thermus thermophilus. We show that the dynamics of Q is redox-state-dependent, and that quinol, QH2, moves out of its reduction site and into a site in the Q tunnel that is occupied by a Q analog in a crystal structure of Yarrowia lipolytica. We also identify a second Q-binding site near the opening of the Q tunnel in the membrane domain, where the Q headgroup forms strong interactions with a cluster of aromatic and charged residues, while the Q tail resides in the lipid membrane. We estimate the effective diffusion coefficient of Q in the tunnel, and in turn the characteristic time for Q to reach the active site and for QH2 to escape to the membrane. Our simulations show that Q moves along the Q tunnel in a redox-state-dependent manner, with distinct binding sites formed by conserved residue clusters. The motion of Q to these binding sites is proposed to be coupled to the proton-pumping machinery in complex I.
As cryo-EM approaches the physical resolution limits imposed by electron optics and radiation damage, it becomes increasingly urgent to address the issues that impede high-resolution structure determination of biological specimens. One of the persistent problems has been beam-induced movement, which occurs when the specimen is irradiated with high-energy electrons. Beam-induced movement results in image blurring and loss of high-resolution information. It is particularly severe for biological samples in unsupported thin films of vitreous water. By controlled devitrification of conventionally plunge-frozen samples, the suspended film of vitrified water was converted into cubic ice, a polycrystalline, mechanically stable solid. It is shown that compared with vitrified samples, devitrification reduces beam-induced movement in the first 5 e Å−2 of an exposure by a factor of ∼4, substantially enhancing the contribution of the initial, minimally damaged frames to a structure. A 3D apoferritin map reconstructed from the first frames of 20 000 particle images of devitrified samples resolved undamaged side chains. Devitrification of frozen-hydrated specimens helps to overcome beam-induced specimen motion in single-particle cryo-EM, as a further step towards realizing the full potential of cryo-EM for high-resolution structure determination.