Molekülzahlen

Molekülzahlen bezeichnet die diskrete, ganzzahlige Anzahl der Moleküle in einem gegebenen Probenvolumen. In der Chemie und Biologie wird sie häufig zusammen mit der daraus abgeleiteten Konzentration betrachtet. Die Anzahl N steht in Beziehung zur Konzentration c über N = c · N_A · V, dabei ist N_A die Avogadro-Konstante (~6,022×10^23 mol^-1) und V das Volumen der Probe. Aus dieser Beziehung folgt, dass bei großen Volumina und/oder hohen Konzentrationen N sehr groß ist, während in kleinen Systemen oft nur wenige bis tausende Moleküle vorhanden sind.

Diese Diskretheit hat Folgen für die Modellierung chemischer Reaktionen. In makroskopischen Systemen liefern deterministische Modelle mit Reaktionsraten in Abhängigkeit von Konzentrationen gute Ergebnisse. In zellulären oder mikroskopisch kleinen Systemen reichen oft stochastische Modelle, die direkt mit Molekülzahlen arbeiten. Gängige Ansätze sind die Master-Gleichung und der Gillespie-Algorithmus, der Sprünge der Molekülzahlen zufallsbasiert simuliert.

Messmethoden: Molekülzahlen lassen sich direkt durch Einzelmolekültechniken zählen oder indirekt über Konzentrationen und Volumen ableiten. In der Biologie spricht man oft von Kopienanzahlen in Zellen, z. B. für RNA oder DNA. Die Genauigkeit hängt von Volumen, Messgenauigkeit und Fluktuationen ab.

Zusammenfassung: Molekülzahlen verknüpfen die diskrete Welt einzelner Moleküle mit makroskopischen Größenordnungen der Chemie und Biologie, und sie sind zentral für stochastische Modelle sowie für das Verständnis von Fluktuationen in kleinen Systemen.