Espectroscopia de fuerza de molécula única

Aplicar fuerza a moléculas individuales para desplegarlas o romper sus enlaces, y leer las firmas de fuerza resultantes para comprender cómo la fuerza cambia la estabilidad y la cinética molecular.

Definition

La espectroscopia de fuerza de molécula única es la medición de la respuesta mecánica de moléculas individuales a una fuerza aplicada, utilizada para caracterizar el despliegue, la ruptura de enlaces y la cinética dependiente de la fuerza.

Scope

Este tema cubre la espectroscopia de fuerza: la aplicación de una fuerza constante o en rampa a una sola molécula —a menudo con microscopía de fuerza atómica o pinzas ópticas— y la interpretación de los eventos de despliegue y ruptura. Introduce la elasticidad de cadena tipo gusano de los polímeros, las firmas en forma de diente de sierra del despliegue de proteínas modulares y la teoría de cómo la fuerza aplicada acelera la ruptura de enlaces. Los instrumentos en sí se tratan en el tema vecino de pinzas.

Core questions

• ¿Cómo responde una sola molécula a medida que se aplica una fuerza creciente?
• ¿Qué revelan las firmas de fuerza de despliegue y ruptura sobre la estructura?
• ¿Cómo cambia la fuerza aplicada la velocidad de despliegue o desunión?
• ¿Por qué las fuerzas de ruptura dependen de la rapidez con que se aplica la fuerza?

Key theories

Ruptura de enlaces acelerada por la fuerza

El modelo de Bell trata la fuerza aplicada como una reducción de la barrera de energía para la disociación, por lo que la velocidad de disociación aumenta exponencialmente con la fuerza, haciendo que la fuerza de ruptura dependa de la tasa de carga.

Elasticidad de polímeros y firmas de despliegue

El estiramiento de una cadena sigue una respuesta entrópica de cadena tipo gusano hasta que un módulo plegado cede, produciendo un característico diente de sierra de tensión creciente y liberaciones abruptas que caracterizan la arquitectura mecánica de la molécula.

Mechanisms

Cuando se tira de una molécula anclada, su extensión sigue primero la elasticidad entrópica del polímero, bien descrita por el modelo de cadena tipo gusano, a medida que las fluctuaciones térmicas se enderezan. A medida que aumenta la tensión, los dominios plegados o los complejos unidos alcanzan una fuerza en la que la barrera de energía para el despliegue o la ruptura se reduce lo suficiente como para ceder, liberando longitud y disminuyendo la tensión antes de que se cargue el siguiente elemento. Debido a que el ruido térmico impulsa el escape real, la fuerza a la que ocurre un evento es estocástica y aumenta con la tasa de carga, una dependencia utilizada para mapear el paisaje energético subyacente.

Clinical relevance

La estabilidad mecánica de las proteínas y los enlaces es importante para los tejidos bajo carga, la adhesión celular y las proteínas que soportan fuerza fisiológicamente, por lo que los métodos aquí son un trasfondo educativo para esa biología en lugar de un consejo clínico.

History

El modelo de Bell de 1978 sobre la vida útil de los enlaces dependiente de la fuerza proporcionó la teoría, y la tracción de proteínas modulares como la titina con microscopio de fuerza atómica en la década de 1990 produjo el característico diente de sierra de despliegue, estableciendo la espectroscopia de fuerza como una forma de sondear la estabilidad mecánica una molécula a la vez.

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

¿Por qué la fuerza de ruptura depende de la velocidad de tracción?

Debido a que las fluctuaciones térmicas finalmente rompen el enlace, una carga más rápida da menos tiempo para que una fluctuación lo haga a baja fuerza, por lo que el enlace tiende a romperse a mayor fuerza cuando se tira más rápidamente.

¿Qué es el diente de sierra de despliegue?

Cuando se estira una cadena de dominios plegados, cada dominio se despliega a una fuerza alta y agrega longitud repentinamente, disminuyendo la tensión; repetido en varios dominios, esto produce una curva de fuerza en forma de diente de sierra.