สเปกโทรสโกปีแรงระดับโมเลกุลเดี่ยว

การดึงโมเลกุลเดี่ยวเพื่อคลี่ออกหรือทำให้พันธะขาด และอ่านค่าแรงที่เกิดขึ้นเพื่อศึกษาว่าแรงเปลี่ยนแปลงความเสถียรและจลนพลศาสตร์ของโมเลกุลอย่างไร

Definition

สเปกโทรสโกปีแรงระดับโมเลกุลเดี่ยวคือการวัดการตอบสนองทางกลของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลต่อแรงที่กระทำ ซึ่งใช้เพื่อบ่งชี้การคลี่ออก การขาดของพันธะ และจลนพลศาสตร์ที่ขึ้นกับแรง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสเปกโทรสโกปีแรง: การใช้แรงที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องหรือแรงคงที่กับโมเลกุลเดี่ยว ซึ่งมักจะใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมหรือคีมจับแสง และการตีความเหตุการณ์การคลี่ออกและการขาดของพันธะ โดยจะแนะนำความยืดหยุ่นของพอลิเมอร์แบบสายโซ่คล้ายหนอน (worm-like-chain elasticity) ลักษณะฟันเลื่อยของการคลี่ออกของโปรตีนแบบโมดูลาร์ และทฤษฎีที่ว่าแรงที่กระทำเร่งการขาดของพันธะอย่างไร ส่วนเครื่องมือต่างๆ จะกล่าวถึงในหัวข้อคีมจับแสงที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• โมเลกุลเดี่ยวตอบสนองอย่างไรเมื่อมีการใช้แรงเพิ่มขึ้น?
• ลักษณะเฉพาะของแรงในการคลี่ออกและการขาดของพันธะเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับโครงสร้าง?
• แรงที่กระทำเปลี่ยนแปลงอัตราการคลี่ออกหรือการหลุดออกอย่างไร?
• เหตุใดแรงที่ทำให้ขาดจึงขึ้นอยู่กับความเร็วในการเพิ่มแรง?

Key theories

การขาดของพันธะที่เร่งด้วยแรง

แบบจำลองของ Bell ถือว่าแรงที่กระทำเป็นการลดกำแพงพลังงานสำหรับการแยกตัว ดังนั้นอัตราการหลุดออกจึงเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามแรง ทำให้แรงที่ทำให้ขาดขึ้นอยู่กับอัตราการรับภาระ

ความยืดหยุ่นของพอลิเมอร์และลักษณะเฉพาะของการคลี่ออก

การยืดสายโซ่เป็นไปตามการตอบสนองของสายโซ่คล้ายหนอนแบบเอนโทรปีจนกว่าโมดูลที่พับอยู่จะคลายตัว ทำให้เกิดลักษณะฟันเลื่อยของความตึงที่เพิ่มขึ้นและการคลายตัวอย่างกะทันหัน ซึ่งเป็นเอกลักษณ์ของโครงสร้างทางกลของโมเลกุล

Mechanisms

เมื่อโมเลกุลที่ถูกยึดไว้ถูกดึง การยืดตัวของมันจะเริ่มต้นด้วยความยืดหยุ่นของพอลิเมอร์แบบเอนโทรปี ซึ่งอธิบายได้ดีด้วยแบบจำลองสายโซ่คล้ายหนอน (worm-like-chain model) เนื่องจากความผันผวนทางความร้อนจะถูกทำให้ตรงขึ้น เมื่อความตึงเพิ่มขึ้น โดเมนที่พับอยู่หรือสารเชิงซ้อนที่จับกันจะถึงจุดที่แรงทำให้กำแพงพลังงานสำหรับการคลี่ออกหรือการขาดลดลงเพียงพอที่จะทำให้มันคลายตัว ปล่อยความยาวและลดความตึงลงก่อนที่องค์ประกอบถัดไปจะรับภาระ เนื่องจากสัญญาณรบกวนทางความร้อนเป็นตัวขับเคลื่อนการหลุดออกจริง แรงที่เกิดเหตุการณ์จึงเป็นแบบสุ่มและเพิ่มขึ้นตามอัตราการรับภาระ ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ที่ใช้ในการทำแผนที่ภูมิทัศน์พลังงานพื้นฐาน

Clinical relevance

ความเสถียรทางกลของโปรตีนและพันธะมีความสำคัญต่อเนื้อเยื่อภายใต้ภาระ การยึดเกาะของเซลล์ และโปรตีนที่รับแรงทางสรีรวิทยา ดังนั้นวิธีการที่กล่าวถึงในที่นี้จึงเป็นพื้นฐานความรู้ทางชีววิทยามากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

แบบจำลองของ Bell ในปี 1978 เกี่ยวกับอายุการใช้งานของพันธะที่ขึ้นกับแรงได้ให้ทฤษฎี และการดึงโปรตีนแบบโมดูลาร์ เช่น ไททิน (titin) ด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมในช่วงทศวรรษ 1990 ได้สร้างลักษณะฟันเลื่อยของการคลี่ออก ซึ่งทำให้สเปกโทรสโกปีแรงเป็นวิธีในการตรวจสอบความเสถียรทางกลทีละโมเลกุล

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

เหตุใดแรงที่ทำให้ขาดจึงขึ้นอยู่กับความเร็วในการดึง?

เนื่องจากความผันผวนทางความร้อนเป็นตัวทำลายพันธะในที่สุด การเพิ่มแรงที่เร็วขึ้นจะให้เวลาน้อยลงสำหรับความผันผวนที่จะทำเช่นนั้นที่แรงต่ำ ดังนั้นพันธะจึงมีแนวโน้มที่จะขาดที่แรงสูงขึ้นเมื่อถูกดึงเร็วขึ้น

ลักษณะฟันเลื่อยของการคลี่ออกคืออะไร?

เมื่อสายโซ่ของโดเมนที่พับอยู่ถูกยืดออก แต่ละโดเมนจะคลี่ออกที่แรงสูงและเพิ่มความยาวอย่างกะทันหัน ทำให้ความตึงลดลง เมื่อเกิดซ้ำๆ ในหลายโดเมน สิ่งนี้จะสร้างกราฟแรงที่มีรูปร่างคล้ายฟันเลื่อย