单分子力谱

单分子力谱

在超分子科学中的应用

张文科

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超分子结构与材料国家重点实验室

单分子研究

Langmuir 2008, Vol 24, Issue 04 Special Issue:

Molecular and Surface Forces

Science 1999, Vol 283, Issue 5508；Science 2007,Vol 316, Issue 5828

Special Issues: Single Molecules

单分子研究可以直接从分子水平给出作用机理，而不是统计平均的结果。

微小力测量的几种重要检测技术

magnetic bead

（磁性珠技术）

（光学镊子）

（玻璃纤维技术）

(生物膜力学探针）

磁性珠技术

F= K B Tb/ <△r2>

<△r2>:微球的热致均方位移

(布朗运动)

双螺旋DNA的缠结与解缠结

Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2000. 29:523–43

生物膜力学探针技术

磷脂囊胞或者红细胞作为力学传感器

光学镊子

左图：单光束光学梯度阱。右图：反向双光束光学

阱。十字形代表棱镜的焦点，实心点代表势能阱的中

心位置。对于单光束光学阱散射力由实箭头标注，虚

箭头代表梯度力

AFM单分子力谱

F o r c e

contour length

e l a s t i c p r

o p e r t i e s AFM单分子力谱实验原理

rupture force

DNA 拉伸

典型应用举例

z螺旋超分子结构的探测

zβ-折叠结构的解折叠

z聚合物界面吸附与组装推动力z分子间作用的直接测量

含有螺旋结构的高分子链超分子结构与单分子力谱

SMFS of dsDNA molecule

B-S transition

stretching

relaxation

Hoechst 33258

(minor groove binder)

Netropsin (minor groove binder)

‘小沟’键合分子

Proflavine(普罗黄素)

(intercalator)

嵌入剂分子

典型药物分子与DNA相互作用的力学指纹谱

No drug (pure DNA)

Hoechst 33258

基于典型药物分子与DNA作用的

溶剂诱导淀粉无规---螺旋构象的转变

J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 9387-9393

k-carrageenan

离子诱导角叉藻糖无规---螺旋构象的转变

含有NaI

无NaI 超分子结构与单分子力谱

蛋白质折叠/解折叠研究超分子结构与单分子力谱

肌动蛋白的解折叠

Rief et al. Science,1997, 1109

单个蛋白质折叠动力学研究

双主分杂化结构蛋白质的拉伸。(A) 串联杂化结构的示意图(B) 典型的拉伸曲线结构域的力学稳定性决定了结构域的打开次序Li HB et al. PNAS,2000, 97,6527

超分子结构与单分子力谱

利用蛋白质的力学谱研究配体与目标蛋

白的相互作用

NuG2

hFc

hFc蛋白与NuG2蛋白的结合的示意图

33.3 µM of hFc17.8 µM of hFc

hFc NuG2

高分子界面吸附与组装推动力

给-受体相互作用
Gaub H.E., et. al. Science, 1994, 264, 415.

生物素与抗生素蛋白相互作用
添加自由 生物素后

力的统计分析

离子配位作用的单分子检测
Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 215.

葡聚糖的力学指纹谱作为单个配位键强度 探测的判据
(his)2
(his)6

染料分子与dsDNA相邻碱基对之间 的嵌入相互作用(intercalating)
X. Zhang et al. Langmuir, 2007, 23, 9140-9142

芘与高取向石墨之间的疏水相互作用的测量
X. Zhang et al. Langmuir, 2007, 23, 7911-7915

超分子高分子
Molecular thin layers of w-hydroxy-terminated PEG are obtained by self-assembly of disulfide 1 from solution in chloroform onto Au(111) surfaces, followed by reaction with isocyanate 2 to form a layer 3 that exposes UPy moieties. Supramolecular polymers, which are formed by self-complementary association of the telechelic PEG derivative 4 in hexadecane solution, can be probed by AFM (right) by utilizing goldcoated AFM tips that are functionalized with a selfassembled monolayer of the asymmetrically substituted UPy disulfide 5 in hexadecane.