Einzelmolekül-Kraftspektroskopie

Ziehen an einzelnen Molekülen, um sie zu entfalten oder ihre Bindungen zu brechen, und Auslesen der resultierenden Kraftsignaturen, um zu erfahren, wie Kraft die molekulare Stabilität und Kinetik verändert.

Definition

Einzelmolekül-Kraftspektroskopie ist die Messung der mechanischen Reaktion einzelner Moleküle auf angelegte Kraft, die zur Charakterisierung von Entfaltung, Bindungsbruch und kraftabhängiger Kinetik verwendet wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die Kraftspektroskopie: Anlegen einer rampenförmigen oder konstanten Kraft an ein einzelnes Molekül – oft mit Rasterkraftmikroskopie oder optischen Pinzetten – und die Interpretation der Entfaltungs- und Bruchereignisse. Es führt in die Wurmketten-Elastizität von Polymeren, die Sägezahnsignaturen der Entfaltung modularer Proteine und die Theorie ein, wie angelegte Kraft den Bindungsbruch beschleunigt. Die Instrumente selbst werden im benachbarten Thema „Pinzetten“ behandelt.

Core questions

• Wie reagiert ein einzelnes Molekül, wenn zunehmende Kraft angelegt wird?
• Was verraten die Entfaltungs- und Bruchkraftsignaturen über die Struktur?
• Wie verändert die angelegte Kraft die Rate der Entfaltung oder des Entbindens?
• Warum hängen Bruchkräfte davon ab, wie schnell die Kraft erhöht wird?

Key theories

Kraftbeschleunigter Bindungsbruch

Bells Modell behandelt die angelegte Kraft als eine Senkung der Energiebarriere für die Dissoziation, sodass die Ablöserate exponentiell mit der Kraft ansteigt, wodurch die Bruchkraft von der Belastungsrate abhängt.

Polymerelastizität und Entfaltungssignaturen

Das Strecken einer Kette folgt einer entropischen Wurmkettenreaktion, bis ein gefaltetes Modul nachgibt, was einen charakteristischen Sägezahn aus steigender Spannung und abrupten Freisetzungen erzeugt, der die mechanische Architektur des Moleküls charakterisiert.

Mechanisms

Wenn ein verankertes Molekül gezogen wird, folgt seine Ausdehnung zunächst der entropischen Polymerelastizität, die gut durch das Wurmkettenmodell beschrieben wird, da thermische Fluktuationen begradigt werden. Mit steigender Spannung erreichen gefaltete Domänen oder gebundene Komplexe eine Kraft, bei der die Energiebarriere für Entfaltung oder Bruch ausreichend gesenkt ist, sodass sie nachgeben, Länge freisetzen und die Spannung abfällt, bevor das nächste Element belastet wird. Da thermisches Rauschen den eigentlichen Entweichungsprozess antreibt, ist die Kraft, bei der ein Ereignis auftritt, stochastisch und nimmt mit der Belastungsrate zu, eine Abhängigkeit, die verwendet wird, um die zugrunde liegende Energielandschaft abzubilden.

Clinical relevance

Die mechanische Stabilität von Proteinen und Bindungen ist wichtig für Gewebe unter Belastung, Zelladhäsion und Proteine, die physiologisch Kräfte tragen. Daher bilden die hier beschriebenen Methoden eher einen bildenden Hintergrund für diese Biologie als eine klinische Beratung.

History

Bells Modell der kraftabhängigen Bindungslebensdauer von 1978 lieferte die Theorie, und das Ziehen modularer Proteine wie Titin mit dem Rasterkraftmikroskop in den 1990er Jahren erzeugte den charakteristischen Entfaltungs-Sägezahn, wodurch die Kraftspektroskopie als Methode zur Untersuchung der mechanischen Stabilität einzelner Moleküle etabliert wurde.

Key figures

• George Bell
• Hermann Gaub
• Julio Fernandez
• Evan Evans

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

Warum hängt die Bruchkraft von der Zuggeschwindigkeit ab?

Da thermische Fluktuationen letztendlich die Bindung brechen, bleibt bei schnellerer Belastung weniger Zeit für eine Fluktuation, dies bei geringer Kraft zu tun. Daher neigt die Bindung dazu, bei höherer Kraft zu brechen, wenn sie schneller gezogen wird.

Was ist der Entfaltungs-Sägezahn?

Wenn eine Kette gefalteter Domänen gestreckt wird, entfaltet sich jede Domäne bei hoher Kraft und verlängert sich plötzlich, wodurch die Spannung abfällt; wiederholt über mehrere Domänen erzeugt dies eine sägezahnförmige Kraftkurve.