单分子力谱

通过拉伸单个分子使其展开或使其键断裂，并读取由此产生的力信号，以了解力如何改变分子的稳定性和动力学。

Definition

单分子力谱是测量单个分子对所施加力的机械响应，用于表征展开、键断裂和力依赖性动力学。

Scope

本主题涵盖力谱：对单个分子施加斜坡力或恒定力（通常使用原子力显微镜或光镊），并解释其展开和断裂事件。它介绍了聚合物的蠕虫状链弹性、模块化蛋白质展开的锯齿状特征，以及施加力如何加速键断裂的理论。仪器本身将在邻近的镊子主题中介绍。

Core questions

• 当施加的力增加时，单个分子如何响应？
• 展开和断裂力信号揭示了哪些结构信息？
• 施加的力如何改变展开或解离的速率？
• 为什么断裂力取决于力的斜坡加载速度？

Key theories

力加速键断裂

贝尔模型将施加的力视为降低解离的能垒，因此解离速率随力呈指数增长，使得断裂力取决于加载速率。

聚合物弹性和展开特征

拉伸链遵循熵蠕虫状链响应，直到折叠模块屈服，产生上升张力和突然释放的特征性锯齿，这标志着分子的机械结构。

Mechanisms

当一个系留分子被拉伸时，其延伸首先遵循熵聚合物弹性，这可以用蠕虫状链模型很好地描述，因为热波动被拉直。随着张力升高，折叠域或结合复合物达到一个力，在该力下，展开或断裂的能垒充分降低，从而使其屈服，释放长度并降低张力，然后下一个元素加载。由于热噪声驱动实际的逃逸，事件发生的力是随机的，并随加载速率的增加而增加，这种依赖性用于绘制潜在的能量景观。

Clinical relevance

蛋白质和键的机械稳定性对于承受负荷的组织、细胞粘附以及生理上承受力的蛋白质至关重要，因此这里的方法是这些生物学领域的教育背景，而非临床建议。

History

贝尔在1978年提出的力依赖性键寿命模型提供了理论基础，而20世纪90年代原子力显微镜对肌联蛋白等模块化蛋白质的拉伸产生了特征性的展开锯齿，从而确立了力谱作为一种一次探测一个分子机械稳定性的方法。

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

为什么断裂力取决于拉伸速度？

因为热波动最终会使键断裂，更快的加载速度使得在低力下波动完成此过程的时间更少，因此当拉伸速度更快时，键往往会在更高的力下断裂。

什么是展开锯齿？

当折叠域链被拉伸时，每个域都会在高力下展开并突然增加长度，从而降低张力；在几个域上重复此过程会产生锯齿状的力曲线。