Одномолекулярная силовая спектроскопия

Растяжение отдельных молекул для их разворачивания или разрыва связей, а также считывание полученных силовых сигнатур для изучения того, как сила изменяет молекулярную стабильность и кинетику.

Definition

Одномолекулярная силовая спектроскопия — это измерение механического отклика отдельных молекул на приложенную силу, используемое для характеристики разворачивания, разрыва связей и зависящей от силы кинетики.

Scope

Эта тема охватывает силовую спектроскопию: приложение нарастающей или постоянной силы к одной молекуле — часто с помощью атомно-силовой микроскопии или оптических пинцетов — и интерпретацию событий разворачивания и разрыва. В ней представлены упругость полимеров по модели червеобразной цепи, пилообразные сигнатуры разворачивания модульных белков и теория того, как приложенная сила ускоряет разрыв связей. Сами приборы рассматриваются в соседней теме, посвященной пинцетам.

Core questions

• Как отдельная молекула реагирует на возрастающую приложенную силу?
• Что сигнатуры силы разворачивания и разрыва раскрывают о структуре?
• Как приложенная сила изменяет скорость разворачивания или диссоциации?
• Почему силы разрыва зависят от скорости нарастания силы?

Key theories

Ускоренный силой разрыв связи

Модель Белла рассматривает приложенную силу как снижающую энергетический барьер для диссоциации, поэтому скорость диссоциации экспоненциально возрастает с силой, что делает силу разрыва зависимой от скорости нагружения.

Упругость полимеров и сигнатуры разворачивания

Растяжение цепи следует энтропийному отклику червеобразной цепи до тех пор, пока свернутый модуль не разрушится, производя характерную пилообразную кривую возрастающего натяжения и резких высвобождений, которая характеризует механическую архитектуру молекулы.

Mechanisms

Когда связанная молекула растягивается, ее удлинение сначала следует энтропийной упругости полимера, хорошо описываемой моделью червеобразной цепи, поскольку тепловые флуктуации выпрямляются. По мере увеличения натяжения свернутые домены или связанные комплексы достигают силы, при которой энергетический барьер для разворачивания или разрыва достаточно снижается, что приводит к их разрушению, высвобождению длины и падению натяжения до того, как нагрузится следующий элемент. Поскольку тепловой шум вызывает фактический выход, сила, при которой происходит событие, является стохастической и увеличивается с частотой нагружения, зависимость, используемая для картирования основного энергетического ландшафта.

Clinical relevance

Механическая стабильность белков и связей имеет значение для тканей под нагрузкой, клеточной адгезии и белков, которые несут физиологическую нагрузку, поэтому представленные здесь методы являются образовательной основой для этой биологии, а не клиническим советом.

History

Модель Белла 1978 года, описывающая зависимость времени жизни связи от силы, обеспечила теоретическую основу, а растяжение модульных белков, таких как титин, с помощью атомно-силового микроскопа в 1990-х годах привело к получению характерной пилообразной кривой разворачивания, утвердив силовую спектроскопию как способ исследования механической стабильности одной молекулы за раз.

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

Почему сила разрыва зависит от скорости растяжения?

Поскольку тепловые флуктуации в конечном итоге разрывают связь, более быстрая нагрузка дает меньше времени для флуктуации, чтобы сделать это при низкой силе, поэтому связь имеет тенденцию разрываться при более высокой силе, когда ее тянут быстрее.

Что такое пилообразная кривая разворачивания?

Когда цепь свернутых доменов растягивается, каждый домен разворачивается при высокой силе и внезапно увеличивает длину, снижая натяжение; повторение этого процесса для нескольких доменов приводит к получению пилообразной кривой силы.