單分子操縱與單分子生物物理術(shù)

1、 維普資訊 前沿 進展 前端鏈螺旋度 的增加 ， 形成超螺旋 超螺旋 引 起 的扭 轉(zhuǎn) 力矩達 到 一 定程 度 就 會 阻 礙 復制 進 程 超 螺旋的釋放要依 靠拓撲 異構(gòu) 酶 面 提到 的關(guān)于 前 的扭轉(zhuǎn) 測 量 技 術(shù) 可 以用 來 觀 察 拓 撲 異 構(gòu) 酶 的 工作機制 等 用圖 所描述的方法形成 （） 超螺旋后 ， 加入第二類拓撲異構(gòu)酶和 通 ， 過觀察 長度 的變 化來量 化 超螺 旋 減小 的 程度（ ） 他們 觀察到 末端距成 臺階式增 圖 長， 每個 臺階約 這個長度正好是圖 中 （） 磁鐵旋轉(zhuǎn) 周時 縮短 的長度 這表 明， 每個酶 作 用 于 所導 致 的連環(huán)數(shù) 改變

2、值 為 圖 的解鏈曲線 （ 圖是 同一 根 中 堿基對 的 嵌 含量分布） 復制過程 中， 聚合酶 以單鏈 為模板 合成一 條與 其互補 的 形 成 雙鏈 單鏈 ， 和雙鏈 的拉伸性質(zhì)完全不 同（ ） 在 圖 大于 拉力作用下 ， 雙鏈 的末端距小 于 單鏈 的末端距 利用這一原理 ， 將單鏈 兩 端連接在小球上 （ ） 監(jiān)控聚合酶工作 時兩 圖 （） ， 小球距離的變化可以推斷出 聚合酶的工作機 制 聚合酶實際上是一 種分子 馬達 ， 沿 模板工作所需能量是通過將化學能（ ） 轉(zhuǎn)變?yōu)闄C 械能而得到的 這種酶形同一只手 ， 工作的時候不停 地在松開與緊握之間轉(zhuǎn)換 聚合酶的聚合速度 對外力十分敏

3、感 ， 當外力達到 時 ， 聚合速度達 圖 拓撲異構(gòu)酶使超螺旋 的末端距成 臺階式增長（ 圖 嵌 是 單分子 實驗示意 圖） 到最大值 然后 ， 隨著力的增大 ， 聚合速度線性下 降 當力達 時， 聚合酶停止工作 蓋玻片滑動 解鏈 圖 利用 光鑷撕開帶一個核小體的 分子 染 色質(zhì) 重建 （ 復合體 ） 染色質(zhì)重建是指引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的一般過 程， 其作用通常是將核小體移動一下位置以便 結(jié)合蛋白與其結(jié)合位點接觸 酵母 復合體 可使 核 小 體 沿 雙 向 運 動 研 究 這 一 過 程 ， 為 圖 單鏈 、 雙鏈 的拉伸 曲線對 比 等人 ¨。 的特定位置處放置核小體 ， 。 在 通

4、 過前述解鏈實驗將 雙鏈撕開 （ 如圖 ） 雙鏈 被撕開時在該點會遇到更大的阻力 根據(jù)這一現(xiàn)象 ， 可推斷核小體在 上的精確位置 他們發(fā)現(xiàn)， 加 入酵母 復合體后 ， 核小體 的位置不再集 中 拓 撲異構(gòu) 酶 （ ） 在 復制過程 中， 必須首先用解旋 酶（ 將 雙鏈解 開 ， 這一 過程 必然 會造 成 ） 但 卷 （ 年 ） 期 ： 維普資訊 前 沿進展 于它原來的位置 ， 而是沿 鏈雙 向隨機變化 （ 如 圖 ） 這些結(jié)論對 復合體重建模型的建 立有很大幫助 中會時不時地暫停一下， 并且在不 同時刻有不 同的 聚合 速度 研究 組 ¨ 精度 達 的雙 光 用 鑷系統(tǒng)觀察到 聚合

5、酶的另一行 為（ ） 這 圖 特殊行為表明， 聚合酶在工作時會經(jīng)常返 回 大約 個堿基做一下檢查 ， 看看合成的 序列是 籟 否準 確 果正 確 ， 續(xù)返 回原 處工作 果錯誤 ， 如 繼 如 就 螺 將錯誤 的 序列剪掉 這種 回溯行為通常發(fā)生在 暫停時間較長的階段 ， 而在一些持續(xù)時間較短的暫 停狀態(tài) ， 則不會發(fā)生這種行為 ） 繼續(xù)聚 合 核小體位 置（ 堿基對 ） 圖 重建 染色 質(zhì) 前 （ 曲線 后 （ ） 曲線 ）核小 體在 上的位置統(tǒng)計 （ 縱坐標中的數(shù)量指實驗次數(shù)） 聚合 酶 以上 個實 驗都 利用 了 獨 特 的力學性 質(zhì) 其實 只監(jiān)控 在恒定拉力下末端距的變化也能 研究與

6、有關(guān) 的重要生命過程 聚合 酶是 種通過 單鏈模板合成 的酶 在聚合 過 一 程中， 聚合酶沿著 模 板前進 以想象 ， 可 如果 將 聚 合 酶 固 定， 將 向相 反 方 向 移 動 【 等人用圖 所示的構(gòu)造研究了 聚合酶 圖 （ ） 聚合酶的檢查過 程示意圖 ； 聚合酶 聚 （） 合實驗示 意圖； 的長度 一 （） 時間曲線表 明聚合酶會 回溯 個 堿 基 結(jié)論和展望 圖 （） 聚合酶聚合實驗示 意圖；（ ） 的長度 一 時 問曲線表明聚合過程 中有暫停 （ 嵌圖是聚合的速度 一 時間曲線 ） 生物學家認為， 細胞其實就是一個 由各種蛋白 質(zhì)機器構(gòu)成的復雜系統(tǒng) 這一概念 為物理學家用 力

7、學方法研究生物提供 了充分依據(jù) ， 也使對生命現(xiàn) 象感興趣 的物理學家有 了用武之地 單分子操縱就 物 理 的工作 過 程 們 發(fā)現(xiàn) ， 聚合 酶 在 聚合 過 程 他 當 ： 維普資訊 前 沿進展 是用物理學手段研究蛋 白質(zhì)機器 （ 也叫分子 馬達 ） 的典型代表 在單分子水平上操縱 是近十多年 ， ， ，： ， ， ： 。 ， ， 來 子 物 領 最 動 心 進 此 礎 分 生 學 域 激 人 的 展在 基 上 的 與蛋白質(zhì)相互作用研究 ， 為定量研究生命活 動中的一些基本過程奠定了基礎 單分子科學正以 前所未有的速度發(fā)展 ， 本文關(guān)于蛋白質(zhì)與 相互 作用的單分子研究只是眾多研究 中的一

8、部分 實驗 設計理念的簡單性和數(shù)據(jù)的準確性使單分子研究充 滿了無窮的魅力 ， 顯示 了廣闊的前景 在精湛的單分 “ ， ¨ 一 ， ， 。 ， ， ： 一 ， ， ， ， ： ， 山 ， ，： “ ， 圳 ， 砒 ， 腫 ， ： 子實驗技術(shù)保證下 ， 以充分發(fā)揮你 的想象去探索 可 復 雜的生 命過程 ， ， 。 ， 。 ， ： ， ， ， ， 參考文獻 ， ， 。 “ 一 一 ， ， ； ， ： ， ， ： 。 ， ， ： ， ， 物理新 聞和動態(tài) 愛 因斯 坦 的 “ 葉佯 謬 茶 年愛因斯坦在他使用攪拌茶杯時 ， 他注意到在攪拌時茶葉會聚集到茶杯底部 的中央， 他把這個現(xiàn) 象稱

9、為 “ 茶葉佯謬” 并發(fā)表在 ， 年出版的 生物顯微流體 的開架雜志上。最近澳大利亞 大學 的 博士將這個現(xiàn)象應用到血漿的分離上。 血漿分離是醫(yī)學檢測 中的一種常規(guī)手段 ， 它將紅血球 、 蛋白質(zhì)分子和其他微型粒子從血漿中分離出來。 血漿分離在醫(yī)學上有著很廣泛的用途 ， 例如測定人體的膽 固醇程度、 運動員的血檢 、 器官捐贈者的驗血和糖 尿 病患 者的血 糖測定 等 。 目前在 醫(yī)學上 的常規(guī)方 法是 將被 測試 的血樣 送 到 醫(yī) 院 的檢 測室 ， 利 用強 功 率離 并 心機將血漿分離后再進行分析測定 。這樣的操作手續(xù)一般需要幾天的時間。 現(xiàn)在提出的新的血漿分離技術(shù)是從患者處采下微量的

10、血液 ， 將其置于一個微小的容器 內(nèi)， 然后用一根針 尖與血漿表面以一個確定 的傾角相接觸 。接著在針尖上加一電壓 ， 這時環(huán)繞在針尖附近存在著一些離子 ， 它 們將會對其他帶電離子產(chǎn)生排斥作用 ， 從而在血漿表面形成一種稱為“ 離子風” 的氣流。當氣流在血液表面 移動時帶動血液作環(huán)流運動 ， 由于針尖相對于血液表面具有一定的角度， 從而引起了血液內(nèi)微型粒子發(fā)生螺 旋狀地向下沉降。當血液開始旋轉(zhuǎn)時 ， 我們平時的一種直覺想法就是血漿 中的紅血球會由于離心力 的作用 而 向外拋向容器壁 ， 但恰恰相反 ， 紅血球是向內(nèi)沉降到容器的底部 。這個現(xiàn)象是與愛因斯坦 的茶葉在攪拌后 聚集到茶杯底部 的結(jié)果完全一致。為什么會產(chǎn)生這樣 的現(xiàn)象呢？其根源是由于處 于圓柱狀容器 內(nèi)的流體 （ 愛因斯坦的茶杯與現(xiàn)在血漿收集器都是圓柱狀的） 當它上半部的流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時 ， ， 其底部流體是穩(wěn)定的， 為了要滿足底部流體的零速度穩(wěn)定條件 ， 就必須在底部處產(chǎn)生出一個 向內(nèi)的力來阻凝該處 的離心力 ， 這個作