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[资源] Springer2010The physics of proteins

The physics of proteins ... An Introduction to Biological Physics and Molecular Biophysics - Hans Frauenfelder, Shirley Chan, Robert Austin - ( Springer - 2010 - pp.424 )
Contents
Part I BIOMOLECULES
1 The Hierarchy of Living Things . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Information and Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Information and Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Information Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Biomolecules, Spin Glasses, Glasses, and Solids
(R. H. Austin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1 Amino Acids, the Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Amino Acid Composition and Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3 The Primary Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4 Molecular Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.5 Some Typical Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.5.1 Heme Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.5.2 Myoglobin (Mb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.5.3 Hemoglobin (Hb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5.4 Structural Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1 General Arrangement of Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Mononucleotides—The Building Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Polynucleotides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4 The Double Helix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.5 Some Properties of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
viii Contents
5.6 Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.7 Storage and Retrieval of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6 The Genetic Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.1 Transcription and Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 The Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.3 Codon and Anticodon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Lipids and Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1 Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.2 Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.3 Biomembranes and Inclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Part II SPATIAL STRUCTURE OF PROTEINS: MEASUREMENT
AND CONSEQUENCE
8 The Secondary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.1 The Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.2 The Ramachandran Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.3 The -Helix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
8.4 Pleated Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.5 Secondary Structure Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
9 Tertiary Structure of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9.1 Packing of -Helices and Pleated Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
9.2 Structural Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10 Myoglobin and Hemoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.1 Ligand Binding to Myoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.2 Ligand Binding to Hemoglobin: The Case for Conformational
Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
10.3 The Bohr Effect: Further Evidence for Conformational Changes 89
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Contents ix
Part III THE ENERGY LANDSCAPE AND DYNAMICS OF
PROTEINS
11 Conformational Substates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
11.1 States and Substates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
11.2 Nonexponential Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
11.3 The Debye-Waller Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
11.4 Spectral Hole Burning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11.5 Substates Seen in Molecular Dynamics Simulations . . . . . . . . . . 109
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
12 The Organization of the Energy Landscape . . . . . . . . . . . . . . . . 113
12.1 The Energy Landscape in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
12.2 The Hierarchy of Substates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
12.3 Taxonomic Substates (Tier 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
12.4 Statistical Substates (Tier 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
12.5 Few-Level Substates (Tier 2–?) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
13 Reaction Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
13.1 Arrhenius Transitions and Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
13.2 Transition State Theory (TST) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
13.3 The Kramers Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
13.4 The Tunnel Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
13.5 Barriers and Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
13.6 Electronically Controlled Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
13.7 Collective Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
14 Supercooled Liquids and Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
14.1 Glass Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
14.2 Energy Landscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
14.3 Specific Heat (Heat Capacity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
14.4 Viscosity, Glass Transition, and Fragility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
14.5 Fluctuation and Relaxation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
14.5.1 Fluctuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
14.5.2 Primary () and Secondary () Relaxations . . . . . . . . . . 162
14.6 Low-Temperature Phenomena in Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
14.7 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
x Contents
Part IV FUNCTION AND DYNAMICS
15 Protein Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
15.1 Equilibrium and Nonequilibrium Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
15.2 Vibrations and Normal Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
15.3 Protein Quakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
15.4 Another Look at Protein Landscapes: Conformation,
Structure, and Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
15.5 The Fluctuations and Slaving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
15.6 Internal Motions, Hydration, and Fluctuations . . . . . . . . . . . . 185
15.7 Low-Temperature Dynamics, or Lost in the Energy Landscape 189
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
16 Protein Quantum Dynamics? (R. H. Austin) . . . . . . . . . . . . . . 199
16.1 Self-Trapped States, Classical and Quantum Mechanical . . . . . . 200
16.2 What Are the Experiments? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
17 Creative Homework: Dynamics and Function . . . . . . . . . . . . . . 209
17.1 Myoglobin as Prototype of Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
17.1.1 Kinetics and the Reaction Landscape . . . . . . . . . . . . . . . . 210
17.1.2 Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
17.1.3 Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
17.1.4 Hydration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
17.2 Neuroglobin—A Heme Protein in the Brain (G. U. Nienhaus) . 212
17.2.1 The Reaction Energy Landscape of Ligand Binding . . . . 212
17.2.2 Molecular Structure of Ngb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
17.2.3 Kinetic Experiments and Ligand Binding . . . . . . . . . . . . . 213
17.2.4 Conformational Energy Landscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
17.2.5 What Is Ngb Good for in the Body? . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
17.3 Protein Folding and Unfolding—An Introduction (R. D. Young)216
17.3.1 Two-State Model of Protein Folding and Unfolding . . . . 217
17.3.2 Thermodynamic Equilibrium Studies of Folded and
Unfolded Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
17.3.3 Kinetic Studies of Protein Folding and Unfolding . . . . . . 224
17.3.4 Zwanzig Model of Protein Folding and Unfolding . . . . . . 226
17.3.5 Role of Solvent Dynamics in Protein Folding and
Unfolding – A Research Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
17.3.6 Chemical and Protein Engineering Studies of Protein
Folding and Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
17.4 Farewell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Contents xi
Part V APPENDICES: TOOLS AND CONCEPTS FOR THE
PHYSICS OF PROTEINS
18 Chemical Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
18.1 Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
18.2 Atomic Radii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
18.3 Electric Dipole Moment and Polarizability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
18.4 The Covalent Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
18.5 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
18.6 Hydrogen bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
18.7 Van der Waals (Dispersion) Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
18.8 Electron Shell Repulsion and Van der Waals Potential . . . . . . . . 253
18.9 The Hydrophobic (Apolar) Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
19 Acids and Bases for Physicists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
19.1 Acids and Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
19.2 The pH Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
19.3 The Henderson-Hasselbalch Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
19.4 Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
20 Thermodynamics for Physicists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
20.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
20.2 The Internal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
20.3 Thermodynamic Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
20.4 Equilibrium Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
20.5 Thermodynamic Quantities and Molecular Structure . . . . . . . . . 267
20.6 Fluctuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
20.7 Fluctuation-Dissipation Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
20.8 Imperfections and Substates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
21 Quantum Chemistry for Physicists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
21.1 Atomic Orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
21.2 Bonds—General Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
21.3 Molecular Orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
21.4 Hybridization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
21.5 Multiple Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
21.6 Delocalization and “Resonance” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
21.7 The Peptide Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
21.8 The Heme Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
xii Contents
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
22 Energy Levels from Nuclei to Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
23 Interaction of Radiation with Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
23.1 Absorption and Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
23.2 Line Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
23.3 Transition Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
23.3.1 Selection and Sum Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
24 Water (R. H. Austin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
24.1 Clues to the Complexity of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
24.2 Basic Structure of the Water Molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
24.3 Condensed Water: Intermolecular Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
24.3.1 Dispersion Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
24.3.2 Dipole-Dipole Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
24.3.3 Ferroelectric Ice? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
24.4 The Ice Problem and Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
24.4.1 The Hydrophobic Effect: Entropy at Work . . . . . . . . . . . . 334
24.4.2 Hydrogen Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
25 Scattering of Photons: X-Ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
25.1 The Principles of Structure Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
25.2 Interaction of X-Rays with Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
25.3 Intensity and Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
25.4 Scattering from Single Atoms and Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . 346
25.5 Bragg’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
25.6 The Laue Diffraction Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
25.7 Crystal Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
25.8 The Phase Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
25.9 Data Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
25.10X-Ray Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
25.11Limitations of X-Ray Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
26 Electronic Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
26.1 Electronic and Vibrational Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
26.2 Electronic Spectra—Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
26.3 Electronic Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
Contents xiii
26.4 Chromophores and Their Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
26.5 Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
26.6 Experimental Observation of Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
27 Vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
27.1 Vibrational States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
27.2 Fourier-Transform Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
27.3 Raman Scattering—General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
27.4 Raman Scattering—An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
27.5 Resonance Raman Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
28 The Nucleus as a Probe (C. E. Schulz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
28.1 Hyperfine Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
28.2 The M¨ossbauer Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
28.3 Isomer Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
28.4 Zeeman Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
28.5 Quadrupole Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
28.6 Electronic Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
29 Nuclear Magnetic Resonance and Molecular Structure
Dynamics (R. H. Austin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
29.1 Coherent and Incoherent Processes in NMR. . . . . . . . . . . . . . . . . 417
29.2 Two-Level States, Density Matrices, and Rabi Oscillations . . . . 420
29.3 Fourier Transform Free Induction Decay (FT-FID) and Spin
Echoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
29.4 Spin-Spin Interactions and Protein Structure Determination . . 427
29.5 Probing the Protein Conformational Landscape with NMR . . . 430
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
30 Neutron Diffraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
30.1 Neutron Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
30.2 Comparison: Neutrons versus X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
30.3 Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

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