Kraft-Spektroskopie ist eine dynamische analytische Technik, die die Studie der mechanischen Eigenschaften von einzelnen Polymer-Molekülen oder Proteinen oder individuellen chemischen Obligationen erlaubt. Es wird dadurch durchgeführt, das System unter Prüfung mit kontrollierten Kräften anzuziehen. Als eine Technik des einzelnen Moleküls, im Vergleich mit typischen Ensemble-Spektroskopien, erlaubt es einem Forscher, Eigenschaften des besonderen Moleküls unter der Studie zu bestimmen. Insbesondere seltene Ereignisse wie Conformational-Änderung, die in einem Ensemble maskiert werden, können beobachtet werden.

Der Name "Kraft-Spektroskopie", obwohl weit verwendet, in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, ist etwas irreführend, weil es keine wahre Wechselwirkung der Sache-Radiation gibt. Kraft-Spektroskopie misst das Verhalten eines Moleküls unter dem Ausdehnen oder der torsional mechanischen Kraft. Auf diese Weise ist sehr viel in den letzten Jahren über die mechanochemical Kopplung in den Enzymen erfahren worden, die für die Muskelzusammenziehung, den Transport in der Zelle, Energiegeneration (F1-ATPase), DNA-Erwiderung und Abschrift (polymerases), DNA verantwortlich sind, losknüpfend und abwickelnd (topoisomerases und helicases), und so weiter.

Experimentelle Techniken

Es gibt viele Weisen, einzelne Moleküle genau zu manipulieren. Prominent unter diesen sind optische oder magnetische Pinzette und Ausleger des Atom-Kraft-Mikroskops (AFM). In allen diesen Techniken hat ein biomolecule, wie Protein oder DNA oder ein anderer biopolymer ein Ende, das zu einer Oberfläche und anderem zu einem Kraft-Sensor gebunden ist. Der Kraft-Sensor ist gewöhnlich eine mikrometer-große Perle oder ein Ausleger, dessen Versetzung gemessen werden kann, um die Kraft zu bestimmen.

Atomkraft-Mikroskop-Ausleger

Auf einer Oberfläche adsorbierte Moleküle werden durch einen aufgenommen

mikroskopischer Tipp (Nanometer breit), der auf dem Ende eines elastischen Auslegers gelegen wird. In einer hoch entwickelteren Version dieses Experimentes (Chemische Kraft-Mikroskopie) sind die Tipps covalently functionalized mit den Molekülen von Interesse. Ein piezoelektrischer Kontrolleur zieht dann den Ausleger hoch. Wenn eine Kraft dem elastischen Ausleger folgt (zum Beispiel, weil ein Molekül zwischen der Oberfläche und dem Tipp gestreckt wird), wird das aufwärts (abstoßende Kraft) oder nach unten (attraktive Kraft) abweichen. Gemäß dem Gesetz von Hooke wird diese Ablenkung zur Kraft proportional sein, die dem Ausleger folgt. Ablenkung wird durch die Position eines durch den Ausleger widerspiegelten Laserbalkens gemessen. Diese Art der Einstellung kann Kräfte mindestens 10 pN (10 N) messen, und kann viel bessere Entschlossenheit nur wegen des Thermalgeräusches nicht erreichen. Die so genannte Kraft-Kurve ist der Graph der Kraft (oder genauer, der freitragenden Ablenkung) gegen die piezoelektrische Position auf der Z Achse. Ein idealer Frühling von Hookean würde zum Beispiel eine gerade diagonale Kraft-Kurve zeigen.

Gewöhnlich bestehen die in den Kraft-Spektroskopie-Experimenten beobachteten Kraft-Kurven aus einem Kontakt (Diagonale) Gebiet, wo sich die Untersuchung mit der Beispieloberfläche und einem Nichtkontakt-Gebiet in Verbindung setzt, wo die Untersuchung von der Beispieloberfläche ist. Wenn die Wiederherstellungskraft des Auslegers mit dem Tippbeispielfestkleben-Kraft die Untersuchungssprünge aus dem Kontakt überschreitet, und der Umfang dieses Sprungs häufig als ein Maß der Festkleben-Kraft oder Bruch-Kraft verwendet wird. Im Allgemeinen ist der Bruch eines mit dem Tippoberflächenbandes ein stochastischer Prozess; deshalb verlangt die zuverlässige Quantifizierung der Festkleben-Kraft nehmende vielfache individuelle Kraft-Kurven. Der histogram der in diesen vielfachen Maßen erhaltenen Festkleben-Kräfte stellt die Hauptdatenproduktion für das Kraft-Spektroskopie-Maß zur Verfügung.

Ganz häufig wiederholen Forscher die Maße als eine Funktion der Band-Laden-Rate. Der resultierende Graph der durchschnittlichen Bruch-Kraft als eine Funktion der ladenden Rate wird das Kraft-Spektrum genannt und bildet den grundlegenden dataset für die dynamische Kraft-Spektroskopie. Im idealen Fall einer einzelnen scharfen Energiebarriere für die mit dem Tippbeispielwechselwirkungen wird das dynamische Kraft-Spektrum eine geradlinige Zunahme der Bruch-Kraft als Funktion eines Logarithmus der ladenden Rate zeigen. Der Hang der Linie ist gleich, wo die Entfernung vom Energieminimum bis den Übergang-Staat ist.

Optische Pinzette

Eine andere Technik, die Boden für einzelne Molekül-Experimente gewonnen hat, ist der Gebrauch der optischen Pinzette, um mechanische Kräfte an Moleküle anzuwenden. Ein stark eingestellter Laserbalken ist in der Lage, Partikeln (des dielektrischen Materials) in einer Größe-Reihe von Nanometern bis Mikrometer zu fangen und zu halten. Die Abfangen-Handlung der optischen Pinzette ergibt sich aus dem Dipol oder der optischen Anstieg-Kraft auf dem dielektrischen Bereich. Die Technik, einen eingestellten Laserbalken als eine Atom-Falle zu verwenden, wurde zuerst 1984 an Laboratorien von Bell angewandt. Bis dahin waren Experimente mit entgegengesetzt geleiteten Lasern als ein Mittel zu ausgeführt worden

Falle-Partikeln. Spätere Experimente, an demselben Projekt an Bell

Laboratorien und andere seitdem, hat Manipulation ohne Schaden auf Zellen mit einem Infrarotlaser gezeigt. So wurde der Boden für biologische Experimente mit dem optischen Abfangen gemacht.

Jede Technik hat seine eigenen Vorteile und Nachteile. Zum Beispiel, AFM Ausleger, kann Angström-Skala, Millisekunde-Ereignisse und Kräfte messen, die größer sind als 10 pN. Während Glasmikrofasern solche feine räumliche und zeitliche Entschlossenheit nicht erreichen können, können sie Piconewton-Kräfte messen. Optische Pinzette erlaubt das Maß von Piconewton-Kräften und Nanometer-Versetzungen, der eine ideale Reihe für viele biologische Experimente ist. Magnetische Pinzette kann Femtonewton-Kräfte messen, und zusätzlich können sie auch verwendet werden, um Verdrehung anzuwenden.

Anwendungen

Allgemeine Anwendungen der Kraft-Spektroskopie sind Maße der Polymer-Elastizität, besonders biopolymers wie RNS und DNA. Ein anderes Aufregen biophysical Anwendung der Polymer-Kraft-Spektroskopie ist auf dem sich entfaltenden Protein. Modulproteine können zu einem Gold oder (seltener) Glimmerschiefer-Oberfläche adsorbiert und dann gestreckt werden. Das folgende Entfalten von Modulen wird als ein sehr charakteristisches Sägezahnmuster der Kraft gegen den Verlängerungsgraphen beobachtet; jeder Zahn entspricht dem Entfalten eines einzelnen Protein-Moduls (abgesondert vom letzten, das allgemein der Abstand des Protein-Moleküls vom Tipp ist), kann Viel Information über die Protein-Elastizität und das sich entfaltende Protein durch diese Technik erhalten werden. Das ist noch interessanter, wenn wir die Tatsache denken, dass viele Proteine in der lebenden Zelle mechanischer Betonung gegenüberstehen müssen.

Die andere Hauptanwendung der Kraft-Spektroskopie ist die Studie des mechanischen Widerstands von chemischen Obligationen. In diesem Fall allgemein ist der Tipp functionalized mit einem ligand, der zu einem anderen zur Oberfläche gebundenen Molekül bindet. Der Tipp wird auf der Oberfläche gestoßen, Kontakt zwischen den zwei Molekülen berücksichtigend, und dann zurückgenommen, bis sich das kürzlich gebildete Band auflöst. Die Kraft, an der sich das Band auflöst, wird gemessen. Da das mechanische Brechen ein kinetischer, stochastischer Prozess ist, ist die brechende Kraft nicht ein absoluter Parameter, aber es ist eine Funktion sowohl der Temperatur als auch des Ziehens der Geschwindigkeit. Niedrige Temperaturen und hoch das Ziehen von Geschwindigkeiten entsprechen höheren brechenden Kräften. Durch die sorgfältige Analyse der brechenden Kraft mit verschiedenen ziehenden Geschwindigkeiten ist es möglich, die Energielandschaft des chemischen Bandes unter der mechanischen Kraft kartografisch darzustellen. Das führt zu interessanten Ergebnissen in der Studie von Antikörper-Antigen, Protein-Protein, von Protein lebender Zellwechselwirkung und Fang-Obligationen.

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