13分子生物力学

nullnull分子生物力学研究方法与技术 内 容内 容 背景介绍 分子反应动力学基础知识 分子生物力学研究方法与技术null什么是分子生物力学？定义：生物大分子的力学-生物学和力学-化学耦合规律 尺度：1-200 nm；力：0.1-100 pN 传统的连续介质力学不再适用 当前理论与实验技术都已有所突破null分子生物力学的研究对象生物大分子间特异性相互作用，如受体-配体、抗体-抗原结合与解离的反应动力学，蛋白质组装动力学，作用力对蛋白质间相互作用的调控等。 生物大分子的力学-结构-生物学功能关系，如蛋白分子折叠动力学，DNA分子构象动力学等。null力学-结构-功能关系实例---蛋白分子去折叠null力学-结构-功能关系实例---DNA拉伸null力学-结构-功能关系实例---DNA拉伸分子间相互作用---生理背景：分子间相互作用---生理背景：炎症反应 淋巴归巢 血栓形成 肿瘤转移 ...... 细胞粘附分子间的相互作用null分子间相互作用实例---炎症级联反应 null分子间相互作用实例---炎症级联反应 选择素与配体的微观结构选择素与配体的微观结构白细胞在血管壁上的粘附白细胞在血管壁上的粘附Flow with blood stream at a speed ~ 100 cell length per second Collide with vessel wall with very short encounter duration (~ms)White cells Selectins Of ~ 1/1000 cell size Interact with ligand rapidly Association at the cell front balances dissociation at the cell rear Speed ~ 500 miles per hour Gas tank hole > 1/1000 car size Imagine how hard would it be to put the gas nozzle into the hole?内 容内 容 背景介绍 分子反应动力学基础知识 分子生物力学研究方法与技术如何描述相互作用如何描述相互作用物理F = Gm1m2/r2d[B]/dt = kf[R][L]- kr[B]F = kq1q2/r2将相互作用力（或能）描述成距离的函数, 如库仑静电定律化学 速率方程化学反应动力学牛顿万有引力定律反应方程研究动机（续）研究动机（续）要用反应动力学来描述受体－配体的相互作用，就得要知道反应的速率系数及亲和性 这些参数决定着受体－配体反应发生的可能性和快慢，键的多寡、强弱和寿命 二维反应参数的测量方法是在九十年代才发展起来的。到目前为止，文献中的数据也还很少 这些数据的缺乏，被认为是限制细胞粘附研究深入的一个主要障碍 三维相互作用（3D）三维相互作用（3D）至少相互作用的两分子之一是游离的 大系统（105 ） ，可用确定性的动力学描述 文献里已有许多成熟的实验测量方法二维相互作用（2D）二维相互作用（2D）反应的双方均为表面束缚的分子 系统小时得用概率性的动力学描述 测量方法是九十年代才发展起来的二维反应动力学理论模型二维反应动力学理论模型小系统反应动力学随机理论nullIdeal bonds kr = kr0 Slip bonds kr = kr0exp[af/(nkBT)] Catch bonds kr = kr0exp[-af/(nkBT)]力学因素如何调控受体-配体的解离？ 内 容内 容 背景介绍 分子反应动力学基础知识 分子生物力学研究方法与技术工作范围工作范围分子生物力学研究方法与技术分子生物力学研究方法与技术微管吸吮技术 原子力显微技术 光镊操控技术 平行流室技术 力致分子动力学模拟Multiple-Point Attachment MovieMultiple-Point Attachment Movienull微管粘附频率方法RcPa(t) = 1 - p0 = 1 - exp{- mr ml AcKa0 [1 - exp(- kr0t)]}null生物膜力探针实例1---分子取向和长度的影响实例1---分子取向和长度的影响2维动力学反应速率和亲和性2维动力学反应速率和亲和性3维亲和性3维亲和性Huang J., et al. 2004. J. Biol. Chem.null实例2---生物膜力探针的刚度和微观形貌null2维和3维动力学参数null吸吮压力和渗透压的影响Wu L., et al. 2007, J. Biol. Chem.实例3--- 定量化研究屏蔽 L-selectin 的影响实例3--- 定量化研究屏蔽 L-selectin 的影响2维动力学参数2维动力学参数PMA-Induces SheddingIL-8-Induced SheddingPMN Surface Microtopology (PMA)PMN Surface Microtopology (PMA)null实例4--- 酪氨酸替代的影响分子生物力学研究方法与技术分子生物力学研究方法与技术微管吸吮技术 原子力显微技术 光镊操控技术 平行流室技术 力致分子动力学模拟nullAFM: Atomic Force Microscopy断裂测量模式：黏附频率：键的结合 断裂力：键的解离与稳定性null实例1--- 化学键寿命的力依赖性null实例2---接触时间的影响Effect of Loading Rate (Retraction Velocity)Effect of Loading Rate (Retraction Velocity)Effect of Approach VelocityEffect of Approach VelocityLü S.Q., et al. 2006. Polymer分子生物力学研究方法与技术分子生物力学研究方法与技术微管吸吮技术 原子力显微技术 光镊操控技术 平行流室技术 力致分子动力学模拟光镊实验系统光镊实验系统实验原理示意图实验原理示意图twtr实验方法：实验方法： 蛋白包被和功能检测：密度定量检测物理吸附方法包被微米级玻璃小球技术平台：技术平台： 光镊系统刚度标定Characterizing Association KineticsCharacterizing Association KineticsThermal fluctuation of Receptor-Coupled MicrobeadThermal fluctuation of Receptor-Coupled MicrobeadForward Rates of Association KineticsForward Rates of Association KineticsSun G.X., et al., in preparation分子生物力学研究方法与技术分子生物力学研究方法与技术微管吸吮技术 原子力显微技术 光镊操控技术 平行流室技术 力致分子动力学模拟nullFlow Chamber Assaynull分子机理 v侧视流动腔技术侧视流动腔技术From Dr. Cheng Dong, U. Penn.nullFrom Dr. Cheng Dong, U. Penn.分子生物力学研究方法与技术分子生物力学研究方法与技术微管吸吮技术 原子力显微技术 光镊操控技术 平行流室技术 力致分子动力学模拟研究对象研究对象P-选择素及其配体糖蛋白PSGL-1 Somers, et al, Cell, 2000nullPDB No.: 1GIQ拉伸分子动力学方法（SMD: Steered Molecular Dynamics）nullFFP-selectin/PSGL-1解离的动态过程剪切流场构建剪切流场构建 Gratton and Slater, Eur. Phys. J. E, 2005 Rafael and Peter, Physica A, 2006 剪切流场模型剪切流场模型模拟模型模拟模型解离动画解离动画构象变化构象变化特征量定义特征量定义解离微观过程分析Shear Loading Rate: 1 Å/ps Inclination Angle: 30°解离微观过程分析解离微观过程分析解离微观过程分析解离微观过程分析解离微观过程分析不同流速加载的影响不同流速加载的影响Shear Loading Rate: 5 Å/ps, 1 Å/ps, 0.5Å/ps Inclination Angle: 30°不同流速加载的影响Shear Loading Rate: 5 Å/ps, 1 Å/ps, 0.5Å/ps Inclination Angle: 30°不同流速加载的影响不同初始倾角的影响不同初始倾角的影响 Shear Loading Rate: 5 Å/ps Inclination Angle: 30°60°不同初始倾角的影响不同初始倾角的影响不同初始倾角的影响Shear Loading Rate: 5 Å/ps Inclination Angle: 30°60°不同初始倾角的影响null结束语引人入胜的奇景，花园的一角 仍在迅速发展的学科，方向、方法 多学科交叉，人才需求