生物物理學(xué)-2015年第04講+單分子生物物理學(xué)技術(shù)ppt課件

1、1223294Single molecule3lessfasterImpetus to single molecule 4Why we conduct single molecule or what single molecule can tell us?什么是？為什么？怎么樣？5在單分子水平上對生物分子行為包括構(gòu)在單分子水平上對生物分子行為包括構(gòu)象變化、相互作用、相互識別等的實時象變化、相互作用、相互識別等的實時動態(tài)檢測以及在此基礎(chǔ)上的操縱調(diào)控動態(tài)檢測以及在此基礎(chǔ)上的操縱調(diào)控等，是分子生物物理學(xué)的延伸和趨勢。等，是分子生物物理學(xué)的延伸和趨勢。6生命單元的基本功能主要取決于單個大分生命單元的基

2、本功能主要取決于單個大分子。與測量分子集合體整體性質(zhì)的傳統(tǒng)方子。與測量分子集合體整體性質(zhì)的傳統(tǒng)方法相比，單分子技術(shù)具有直接，準確，實法相比，單分子技術(shù)具有直接，準確，實時等優(yōu)點。時等優(yōu)點。 整體整體個體個體7sensitivity8主要的研究手段有兩種：主要的研究手段有兩種：單分子光譜學(xué)單分子光譜學(xué)Single-molecule spectroscopy 和和Single-molecule FRET） 2. 單分子力譜單分子力譜AFM和光鑷）和光鑷） 9Techniques to study the single moleculeTotal Internal Reflection Fluore

3、scence Microscopy (TIRFM) 全內(nèi)反射熒光顯微鏡Near field Scanning Optical Microscopy (NSOM or SNOM) 近場光學(xué)顯微鏡10工作原理: 采用激光為光源，在傳統(tǒng)熒光顯微鏡成像的基礎(chǔ)上，附加了激光掃描和共軛聚焦裝置，通過計算機控制來進行圖像采集和處理的系統(tǒng)。 11激光共聚焦工作原理1213 1. 動態(tài)掃描和三維圖像重組; 2. 高質(zhì)量數(shù)字圖像; 4.點對點掃描去除了雜散光的影響14Scanning Tunneling MicroscopeSTM 掃描隧道顯微鏡Atom Force Microscope ( AFM ) 原子力顯

4、微鏡Optical tweezer/ optical trapOP or OT 光學(xué)鑷子15Atom Force Microscope ( AFM ) 原子力顯微鏡工作原理:利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的 1617AFM image: 藍細菌圖像 18大腸桿菌 E. coli19Scanning Electron Microscope ( SEM ) 掃描電子顯微鏡工作原理: 掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子掃描并轟擊物質(zhì)表面時, 物質(zhì)表面將產(chǎn)生二次電子、特征x射線和透射電子以及電磁輻射。利用電子和物質(zhì)的相互

5、作用, 可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)等等。 201. 真空系統(tǒng); 2. 電子束系統(tǒng); 3. 成像系統(tǒng); 2122232425Optical Tweezer (光學(xué)鑷子)原理: 利用激光與物質(zhì)間進行動量傳遞時的力學(xué)效應(yīng)形成三維光學(xué)勢阱。 26Optical Tweezer (光學(xué)鑷子)27Single-Molecule BiophysicsScientists 28The Nobel Prize in Physics 2019發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法法 Steven ChuUSA Claude Cohen-Tanno

6、udjiFrance William D. Phillips USA29在獲得諾貝爾獎的第二天，在獲得諾貝爾獎的第二天，他騎著自行車，朝著目標(biāo)往他騎著自行車，朝著目標(biāo)往山路上攀爬，達到了目的地。山路上攀爬，達到了目的地。這種攀登高峰的踏實感受這種攀登高峰的踏實感受:也只有在努力過之后，才能也只有在努力過之后，才能真切地感受到真切地感受到 朱棣文朱棣文(江蘇太倉江蘇太倉)30朱棣文視自己為一名科學(xué)家，最大的希望是無論在未來十年、二十年，甚至上百年以后，自己在實驗室中的成果，能夠?qū)θ祟惍a(chǎn)生貢獻，與人類的生活真正的結(jié)合在一起。 31莊曉薇莊曉薇利用單分子技術(shù)利用單分子技術(shù)研究病毒入侵宿研究病毒入侵宿

7、主細胞的過程主細胞的過程 在哈佛大學(xué)工作以來，她一周七天，每天都從早上10時工作到半夜12時。她說：“除了吃飯和睡覺，剩下的時間都在工作。 32Imaging virus-cell interactions in live cells病毒入侵宿主細胞的過程病毒入侵宿主細胞的過程33Stochastic Optical Reconstruction Microscopy STORM (隨機光學(xué)重建顯微技術(shù) )激發(fā)熒光Wavelength: 幾百nm生物單分子尺寸，例如細胞，只要3nm傳統(tǒng)熒光光學(xué)顯微34STORM (隨機光學(xué)重建顯微技術(shù) )Trick (竅門): 先用一束激光把連接有熒光物質(zhì)的生

8、物樣品熒光物質(zhì)點亮 然后開啟另一束激光，這束激光比如說把其能級調(diào)整到某個 不發(fā)光態(tài)。反復(fù)開和關(guān)第二束激光，連接有熒光物質(zhì)的樣品 被不斷地點亮和熄滅。 也就是說此刻亮的點，下一 刻可能就是暗的。 如此這般，就可以對每個點進行精確定位。 通過對所得的點進行整合，就得到一個全新的圖像。 35傳統(tǒng)熒光顯微 STORM熒光顯微36Seeing is believing（眼見為實)37Virus-Cell Interactions (流感病毒入侵流感病毒入侵) 38Virus-Cell Interactions (流感病毒入侵流感病毒入侵) 39做 “名女人”40STORM技術(shù)Nature: 2019 M

9、ethod of the Year41Molecule motor(分子馬達分子馬達)42分子馬達，是對一大類廣泛分子馬達，是對一大類廣泛存在于細胞內(nèi)部的能夠把化存在于細胞內(nèi)部的能夠把化學(xué)能學(xué)能ATP直接轉(zhuǎn)換為機直接轉(zhuǎn)換為機械能的蛋白分子的總稱械能的蛋白分子的總稱 43分子馬達的種類及其生物學(xué)模型分子馬達的種類及其生物學(xué)模型 驅(qū)動蛋白驅(qū)動蛋白kinesin）線性馬達線性馬達 動力蛋白動力蛋白dynein） 肌球蛋白肌球蛋白myosin） F1-ATP合酶合酶旋轉(zhuǎn)馬達旋轉(zhuǎn)馬達 細菌的鞭毛馬達細菌的鞭毛馬達 DNA或或RNA馬達馬達44馬達結(jié)構(gòu)示意圖馬達結(jié)構(gòu)示意圖 45 線性推進式分子馬達是把化學(xué)

10、能直接轉(zhuǎn)化為機械能，線性推進式分子馬達是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為機械能，從而使得馬達分子自身能夠沿著一條線性軌道作定向移從而使得馬達分子自身能夠沿著一條線性軌道作定向移動。動。 461 1、驅(qū)動蛋白、驅(qū)動蛋白kinesinkinesin） Kinesin Kinesin發(fā)現(xiàn)于發(fā)現(xiàn)于19851985年，主年，主要存在于真核細胞內(nèi)，以微管蛋白要存在于真核細胞內(nèi)，以微管蛋白為軌道，沿微管為軌道，沿微管(microtubule)(microtubule)的負的負極向正極運動。極向正極運動。驅(qū)動蛋白驅(qū)動蛋白KinesinNote: 正極,“生長速度快47通過兩個頭部分別結(jié)合和水解通過兩個頭部分別結(jié)合和水解AT

11、PATP，導(dǎo)致頸部，導(dǎo)致頸部發(fā)生構(gòu)象改變，使兩個頭部交替與微管結(jié)合，發(fā)生構(gòu)象改變，使兩個頭部交替與微管結(jié)合，從而沿微管從而沿微管“行走行走”，將尾部結(jié)合的，將尾部結(jié)合的“貨物貨物”（運輸泡或細胞器轉(zhuǎn)運到其它地方。（運輸泡或細胞器轉(zhuǎn)運到其它地方?！靶凶咝凶摺?walking) ”(walking) 機制機制48驅(qū)動蛋白的行走驅(qū)動蛋白的行走49Kinesin的作用的作用將細胞器和各種細胞內(nèi)物質(zhì)沿著微管將細胞器和各種細胞內(nèi)物質(zhì)沿著微管從細胞核移向細胞膜，完成各種細胞從細胞核移向細胞膜，完成各種細胞內(nèi)外傳質(zhì)功能內(nèi)外傳質(zhì)功能. . 參與細胞的有絲分裂，在有絲分裂的參與細胞的有絲分裂，在有絲分裂的過程中，

12、驅(qū)動蛋白使中心粒分開，導(dǎo)過程中，驅(qū)動蛋白使中心粒分開，導(dǎo)致紡錘體極性的形成。致紡錘體極性的形成。50 Dynein Dynein發(fā)現(xiàn)于發(fā)現(xiàn)于19631963年，因與鞭毛年，因與鞭毛和纖毛的運動有關(guān)而得名。它主要存和纖毛的運動有關(guān)而得名。它主要存在于真核細胞內(nèi)以及鞭毛和纖毛中。在于真核細胞內(nèi)以及鞭毛和纖毛中。動力蛋白動力蛋白Dynein）2、動力蛋白、動力蛋白dynein）51動力蛋白動力蛋白(Dynein)的作用的作用u 沿微管負向運動運送物質(zhì)沿微管負向運動運送物質(zhì), 將細胞膜的將細胞膜的物質(zhì)移向細胞核；物質(zhì)移向細胞核；u 驅(qū)動蛋白驅(qū)動蛋白(Kinesin)將細胞核的物質(zhì)移向?qū)⒓毎说奈镔|(zhì)移向

13、細胞膜細胞膜;u 驅(qū)動蛋白和動力蛋白并不發(fā)生競爭，雖驅(qū)動蛋白和動力蛋白并不發(fā)生競爭，雖然它們想要將貨物向相反的方向運送。然它們想要將貨物向相反的方向運送。u 2019, Apr 7523. 3. 肌球蛋白肌球蛋白(myosin)(myosin)家族家族肌球蛋白肌球蛋白(myosin)，對它的研究可以追溯到，對它的研究可以追溯到1864年，它是人們最早年，它是人們最早研究的分子馬達之一，主要存在于肌肉纖維和真核細胞內(nèi)，它屬于馬達研究的分子馬達之一，主要存在于肌肉纖維和真核細胞內(nèi)，它屬于馬達蛋白，可利用蛋白，可利用ATP產(chǎn)生機械能。產(chǎn)生機械能。53當(dāng)每個ATP 被它水解之后它可以拉動肌動蛋白絲行走一步，大量的肌動球蛋白的協(xié)同作用最終導(dǎo)致了肌肉的收縮現(xiàn)象。54沿微管運動的Myosin55u 最典型的旋轉(zhuǎn)式分子馬達是最典型的旋轉(zhuǎn)式分子馬達是F1-ATP酶。酶。u 它由兩部分組成，一部分鑲嵌在線粒體膜上，它由兩部分組成，一部分鑲嵌在線粒體膜上，另一部分暴露在膜外。另一部分暴露在膜外。u 鑲嵌在膜上的部分有三個亞基構(gòu)成質(zhì)子通過線鑲嵌在膜上的部分有三個亞基構(gòu)成質(zhì)子通過線粒體膜的通道，當(dāng)質(zhì)子流經(jīng)這樣的通道時產(chǎn)生粒體膜的通道，當(dāng)質(zhì)子流經(jīng)這樣的通道時產(chǎn)生力矩，從而推動暴露在膜外的亞基的旋轉(zhuǎn)