Espectroscopia de Força de Molécula Única

Aplicar força a moléculas individuais para desdobrá-las ou romper suas ligações, e ler as assinaturas de força resultantes para entender como a força altera a estabilidade e a cinética molecular.

Definition

A espectroscopia de força de molécula única é a medição da resposta mecânica de moléculas individuais à força aplicada, utilizada para caracterizar o desdobramento, a ruptura de ligações e a cinética dependente da força.

Scope

Este tópico aborda a espectroscopia de força: aplicação de uma força crescente ou constante a uma única molécula — frequentemente com microscopia de força atômica ou pinças ópticas — e a interpretação dos eventos de desdobramento e ruptura. Apresenta a elasticidade de polímeros do tipo cadeia de minhoca (worm-like-chain), as assinaturas em dente de serra do desdobramento de proteínas modulares e a teoria de como a força aplicada acelera a ruptura de ligações. Os próprios instrumentos são abordados no tópico vizinho sobre pinças.

Core questions

• Como uma única molécula responde à medida que uma força crescente é aplicada?
• O que as assinaturas de força de desdobramento e ruptura revelam sobre a estrutura?
• Como a força aplicada altera a taxa de desdobramento ou desligamento?
• Por que as forças de ruptura dependem da rapidez com que a força é aplicada?

Key theories

Ruptura de ligação acelerada por força

O modelo de Bell trata a força aplicada como uma diminuição da barreira de energia para a dissociação, de modo que a taxa de dissociação aumenta exponencialmente com a força, fazendo com que a força de ruptura dependa da taxa de carregamento.

Elasticidade de polímeros e assinaturas de desdobramento

O alongamento de uma cadeia segue uma resposta entrópica de cadeia de minhoca (worm-like-chain) até que um módulo dobrado ceda, produzindo um característico dente de serra de tensão crescente e liberações abruptas que caracterizam a arquitetura mecânica da molécula.

Mechanisms

Quando uma molécula ancorada é puxada, sua extensão segue inicialmente a elasticidade entrópica do polímero, bem descrita pelo modelo de cadeia de minhoca (worm-like-chain), à medida que as flutuações térmicas são retificadas. À medida que a tensão aumenta, domínios dobrados ou complexos ligados atingem uma força onde a barreira de energia para o desdobramento ou ruptura é suficientemente reduzida para que cedam, liberando comprimento e diminuindo a tensão antes que o próximo elemento seja carregado. Como o ruído térmico impulsiona a fuga real, a força na qual um evento ocorre é estocástica e aumenta com a taxa de carregamento, uma dependência usada para mapear o panorama energético subjacente.

Clinical relevance

A estabilidade mecânica de proteínas e ligações é importante para tecidos sob carga, adesão celular e proteínas que suportam força fisiologicamente, portanto, os métodos aqui são um pano de fundo educacional para essa biologia, e não um conselho clínico.

History

O modelo de Bell de 1978 sobre a vida útil de ligações dependente da força forneceu a teoria, e o puxamento de proteínas modulares, como a titina, por microscopia de força atômica na década de 1990 produziu o característico dente de serra de desdobramento, estabelecendo a espectroscopia de força como uma forma de investigar a estabilidade mecânica uma molécula por vez.

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

Por que a força de ruptura depende da velocidade de puxada?

Como as flutuações térmicas acabam por quebrar a ligação, um carregamento mais rápido dá menos tempo para que uma flutuação o faça com baixa força, então a ligação tende a quebrar com maior força quando puxada mais rapidamente.

O que é o dente de serra de desdobramento?

Quando uma cadeia de domínios dobrados é esticada, cada domínio se desdobra com uma força alta e adiciona comprimento abruptamente, diminuindo a tensão; repetido em vários domínios, isso produz uma curva de força em forma de dente de serra.