Quang phổ lực phân tử đơn

Kéo các phân tử riêng lẻ để làm chúng bung ra hoặc phá vỡ các liên kết của chúng, và đọc các tín hiệu lực thu được để tìm hiểu cách lực làm thay đổi độ ổn định và động học của phân tử.

Definition

Quang phổ lực phân tử đơn là phép đo phản ứng cơ học của các phân tử riêng lẻ đối với lực tác dụng, được sử dụng để mô tả sự bung ra, đứt gãy liên kết và động học phụ thuộc lực.

Scope

Chủ đề này bao gồm quang phổ lực: áp dụng một lực tăng dần hoặc không đổi lên một phân tử đơn lẻ—thường bằng kính hiển vi lực nguyên tử hoặc kẹp quang học—và diễn giải các sự kiện bung ra và đứt gãy. Nó giới thiệu tính đàn hồi chuỗi giống giun của polyme, các tín hiệu răng cưa của sự bung ra protein mô-đun, và lý thuyết về cách lực tác dụng làm tăng tốc độ đứt gãy liên kết. Bản thân các thiết bị được đề cập trong chủ đề kẹp lân cận.

Core questions

• Một phân tử đơn phản ứng như thế nào khi lực tác dụng tăng lên?
• Các tín hiệu lực bung ra và đứt gãy tiết lộ điều gì về cấu trúc?
• Lực tác dụng làm thay đổi tốc độ bung ra hoặc tách rời như thế nào?
• Tại sao lực đứt gãy phụ thuộc vào tốc độ tăng lực?

Key theories

Đứt gãy liên kết tăng tốc bởi lực

Mô hình của Bell coi lực tác dụng làm giảm hàng rào năng lượng để phân ly, do đó tốc độ tách rời tăng theo cấp số nhân với lực, làm cho lực đứt gãy phụ thuộc vào tốc độ tải.

Tính đàn hồi của polyme và các tín hiệu bung ra

Kéo căng một chuỗi tuân theo phản ứng chuỗi giống giun entropy cho đến khi một mô-đun gấp khúc nhường chỗ, tạo ra một tín hiệu răng cưa đặc trưng của lực căng tăng lên và các giải phóng đột ngột, điều này tạo ra dấu vân tay kiến trúc cơ học của phân tử.

Mechanisms

Khi một phân tử được neo giữ bị kéo, sự kéo dài của nó ban đầu tuân theo tính đàn hồi polyme entropy, được mô tả tốt bằng mô hình chuỗi giống giun, khi các dao động nhiệt được làm thẳng. Khi lực căng tăng lên, các miền gấp khúc hoặc các phức hợp liên kết đạt đến một lực mà tại đó hàng rào năng lượng để bung ra hoặc đứt gãy được hạ thấp đủ để chúng nhường chỗ, giải phóng chiều dài và làm giảm lực căng trước khi phần tử tiếp theo chịu tải. Bởi vì nhiễu nhiệt thúc đẩy sự thoát ra thực tế, lực mà một sự kiện xảy ra là ngẫu nhiên và tăng theo tốc độ tải, một sự phụ thuộc được sử dụng để lập bản đồ cảnh quan năng lượng cơ bản.

Clinical relevance

Độ ổn định cơ học của protein và liên kết có ý nghĩa đối với các mô chịu tải, sự bám dính của tế bào và các protein chịu lực sinh lý, vì vậy các phương pháp ở đây là kiến thức nền tảng giáo dục cho sinh học đó hơn là lời khuyên lâm sàng.

History

Mô hình năm 1978 của Bell về thời gian tồn tại liên kết phụ thuộc lực đã cung cấp lý thuyết, và việc kéo các protein mô-đun như titin bằng kính hiển vi lực nguyên tử vào những năm 1990 đã tạo ra tín hiệu răng cưa bung ra đặc trưng, thiết lập quang phổ lực như một cách để thăm dò độ ổn định cơ học từng phân tử một.

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

Tại sao lực đứt gãy phụ thuộc vào tốc độ kéo?

Bởi vì các dao động nhiệt cuối cùng làm đứt liên kết, tải nhanh hơn sẽ cho ít thời gian hơn để một dao động làm điều đó ở lực thấp, do đó liên kết có xu hướng đứt ở lực cao hơn khi kéo nhanh hơn.

Tín hiệu răng cưa bung ra là gì?

Khi một chuỗi các miền gấp khúc được kéo căng, mỗi miền bung ra ở một lực cao và đột ngột tăng chiều dài, làm giảm lực căng; lặp lại trên nhiều miền, điều này tạo ra một đường cong lực có hình răng cưa.