Траектория с двумя состояниями - Two-state trajectory - Wikipedia

Рисунок 1: Траектории с двумя состояниями

А траектория с двумя состояниями (также называемый траектория времени с двумя состояниями или траектория с двумя состояниями) представляет собой динамический сигнал, который колеблется между двумя различными значениями: ВКЛ и ВЫКЛ, открыт и закрыт, ${\displaystyle +/-}$и т.д. Математически сигнал ${\displaystyle X(t)}$ имеет для каждого ${\displaystyle t,}$ либо значение ${\displaystyle X(t)=c_{\mathrm {off} }}$ или же ${\displaystyle X(t)=c_{\mathrm {on} }}$.

В большинстве приложений сигнал стохастический; тем не менее, он может иметь детерминированный Компоненты ВКЛ-ВЫКЛ. Полностью детерминированная траектория с двумя состояниями - это прямоугольная волна. Есть много способов создать сигнал с двумя состояниями, например многократно подбрасывать монету.

Стохастическая траектория с двумя состояниями - один из самых простых случайных процессов. Расширения включают: траектории с тремя состояниями, траектории более высоких дискретных состояний и непрерывные траектории в любом измерении.^[1]

Две траектории состояний в биофизике и смежных областях

Очень часто встречаются две государственные траектории. Здесь мы сосредоточены на соответствующих траекториях научных экспериментов: они видны в измерениях в химии, физике и биофизике отдельные молекулы^[2][3] (например, измерения динамики белка и Динамика ДНК и РНК,^{[4][5][6][7][8]} деятельность ионные каналы,^[9][10] ферментная активность,^{[11][12][13][14][15]} квантовые точки^{[16][17][18][19][20][21]}). На основе этих экспериментов один стремится найти правильную модель, объясняющую измеряемый процесс.^{[22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32]} Далее мы расскажем о различных соответствующих системах.

Ионные каналы

Поскольку ионный канал либо открыт, либо закрыт, при регистрации количества ионов, проходящих через канал по прошествии времени, наблюдается двухуровневая траектория тока в зависимости от времени.

Ферменты

Здесь есть несколько возможных экспериментов над активностью отдельных ферменты с двухпозиционным сигналом. Например, можно создать субстрат, который только при ферментативной активности светит светом при активации (лазерным импульсом). Итак, каждый раз, когда фермент действует, мы видим всплеск фотонов в течение периода времени, в течение которого молекула продукта находится в зоне действия лазера.

Динамика биологических молекул

Структурные изменения молекул рассматриваются в экспериментах различного типа. Фёрстеровский резонансный перенос энергии это пример. Во многих случаях можно увидеть траекторию времени, которая колеблется между несколькими очищенными определенными состояниями.

Квантовые точки

Другой системой, которая колеблется между включенным и выключенным состоянием, является квантовая точка. Здесь флуктуации связаны с тем, что молекула находится либо в состоянии, которое испускает фотоны, либо в темном состоянии, которое не испускает фотоны (на динамику между состояниями также влияет ее взаимодействие с окружающей средой).

Смотрите также

• Одномолекулярный эксперимент
• Форма уменьшенных размеров
• Кинетическая схема
• Главное уравнение
• Волна

Рекомендации

1. Эрхан Чинлар (1975). Введение в случайные процессы. Prentice Hall Inc., Нью-Джерси. ISBN  978-0-486-49797-6.
2. Moerner, W. E .; Оррит, М. (1999). «Освещение одиночных молекул в конденсированных средах». Наука. 283 (5408): 1670–6. Bibcode:1999Научный ... 283.1670М. Дои:10.1126 / science.283.5408.1670. PMID  10073924.
3. Вайс, Шимон (1999). «Флуоресцентная спектроскопия одиночных биомолекул». Наука. 283 (5408): 1676–83. Bibcode:1999Научный ... 283,1676W. Дои:10.1126 / science.283.5408.1676. PMID  10073925.
4. Шулер, Бенджамин; Lipman, Everett A .; Итон, Уильям А. (2002). «Исследование поверхности свободной энергии для сворачивания белков с помощью флуоресцентной спектроскопии одиночных молекул». Природа. 419 (6908): 743–7. Bibcode:2002Натура.419..743С. Дои:10.1038 / природа01060. PMID  12384704. S2CID  1356830.
5. Ян, Гав; Ло, Гобинь; Карнчанафанурах, Паллоп; Луи, Тай-Ман; Речь, Иван; Кова, Серджио; Сюнь, Луин; Се, X. Санни (2003). "Конформационная динамика белков, основанная на переносе электрона одной молекулы". Наука. 302 (5643): 262–6. Bibcode:2003Наука ... 302..262л. Дои:10.1126 / science.1086911. PMID  14551431. S2CID  18706150.
6. Мин, Вэй; Ло, Гобинь; Cherayil, Binny J .; Kou, S.C .; Се, X. Санни (2005). «Наблюдение ядра памяти степенного закона для флуктуаций внутри одной белковой молекулы». Письма с физическими проверками. 94 (19): 198302. Bibcode:2005ПхРвЛ..94с8302М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.198302. PMID  16090221.
7. Роудс, Элизабет; Гусаковский, Евгений; Харран, Гилад (2003). «Наблюдая, как белки сворачивают по одной молекуле за раз». Труды Национальной академии наук. 100 (6): 3197–202. Bibcode:2003ПНАС..100.3197Р. Дои:10.1073 / pnas.2628068100. JSTOR  3139336. ЧВК  152269. PMID  12612345.
8. Чжуан, X .; Kim, H; Перейра, MJ; Бэбкок, HP; Уолтер, Н.Г .; Чу, С (2002). «Корреляция структурной динамики и функции в одиночных молекулах рибозима». Наука. 296 (5572): 1473–6. Bibcode:2002Научный ... 296.1473Z. Дои:10.1126 / science.1069013. PMID  12029135. S2CID  9459136.
9. Неер, Эрвин; Сакманн, Берт (1976). «Одноканальные токи, записанные с мембраны денервированных мышечных волокон лягушки». Природа. 260 (5554): 799–802. Bibcode:1976Натура.260..799Н. Дои:10.1038 / 260799a0. PMID  1083489. S2CID  4204985.
10. Kasianowicz, John J .; Брандин, Эрик; Брэнтон, Дэниел; Димер, Дэвид В. (1996). «Характеристика отдельных полинуклеотидных молекул с использованием мембранного канала». Труды Национальной академии наук. 93 (24): 13770–3. Bibcode:1996PNAS ... 9313770K. Дои:10.1073 / пнас.93.24.13770. JSTOR  40976. ЧВК  19421. PMID  8943010.
11. Lu, H.P .; Сюнь, L; Се, XS (1998). "Одномолекулярная ферментативная динамика". Наука. 282 (5395): 1877–82. Дои:10.1126 / science.282.5395.1877. PMID  9836635.
12. Эдман, Ларс; Фёльдес-Папп, Зенон; Веннмальм, Стефан; Риглер, Рудольф (1999). «Колеблющийся фермент: подход одной молекулы». Химическая физика. 247 (1): 11–22. Bibcode:1999CP .... 247 ... 11E. Дои:10.1016 / S0301-0104 (99) 00098-1.
13. Велония, Келли; Фломенбом, Офир; Лоос, Дэйви; Масуо, Садахиро; Котле, Мирча; Энгельборгс, Ив; Хофкенс, Йохан; Роуэн, Алан Э .; и другие. (2005). "Одноферментная кинетика гидролиза, катализируемого CALB". Angewandte Chemie International Edition. 44 (4): 560–4. Дои:10.1002 / anie.200460625. PMID  15619259.
14. Flomenbom, O .; Велония, К; Лоос, Д; Масуо, S; Котлет, М; Engelborghs, Y; Хофкенс, Дж; Роуэн, AE; и другие. (2005). «Растянутый экспоненциальный спад и корреляции в каталитической активности колеблющихся одиночных молекул липазы». Труды Национальной академии наук. 102 (7): 2368–72. Bibcode:2005PNAS..102.2368F. Дои:10.1073 / pnas.0409039102. ЧВК  548972. PMID  15695587.
15. Английский, Брайан П.; Мин, Вэй; Ван Ойен, Антуан М; Ли, Кан Тхэк; Ло, Гобинь; Сун, Хонье; Чераил, Бинни Дж; Kou, S C; Се, Икс Санни (2005). «Постоянно колеблющиеся отдельные молекулы фермента: пересмотренное уравнение Михаэлиса-Ментен». Природа Химическая Биология. 2 (2): 87–94. Дои:10.1038 / nchembio759. PMID  16415859. S2CID  2201882.
16. Nie, S; Chiu, D .; Заре, Р. (1994). «Исследование отдельных молекул с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии». Наука. 266 (5187): 1018–21. Bibcode:1994Научный ... 266.1018N. Дои:10.1126 / science.7973650. PMID  7973650.
17. Шмидт, Ульрих; Вайс, Маттиас (2011). «Аномальная диффузия олигомеризованных трансмембранных белков». Журнал химической физики. 134 (16): 165101. Bibcode:2011ЖЧФ.134п5101С. Дои:10.1063/1.3582336. PMID  21528980.
18. Зумофен, Герт; Хольбейн, Йоханнес; Хюбнер, Кристиан (2004). «Повторяемость и статистика фотонов в флуоресцентной флуктуационной спектроскопии». Письма с физическими проверками. 93 (26): 260601. Bibcode:2004PhRvL..93z0601Z. Дои:10.1103 / PhysRevLett.93.260601. PMID  15697961.
19. Коэн, Адам Э .; Моернер, WE (2006). «Подавление броуновского движения отдельных биомолекул в растворе». Труды Национальной академии наук. 103 (12): 4362–5. Bibcode:2006PNAS..103.4362C. Дои:10.1073 / pnas.0509976103. JSTOR  30048946. ЧВК  1450176. PMID  16537418.
20. Moerner, W. E .; Диксон, Роберт М .; Cubitt, Эндрю Б .; Цзянь, Роджер Ю. (1997). «Включение / выключение мерцания и переключения отдельных молекул зеленого флуоресцентного белка». Природа. 388 (6640): 355–8. Bibcode:1997Натура.388..355D. Дои:10.1038/41048. PMID  9237752. S2CID  4313830.
21. Чунг, Инхи; Бавенди, Мунги (2004). «Взаимосвязь между перемежаемостью одиночных квантовых точек и затуханиями интенсивности флуоресценции из совокупности точек». Физический обзор B. 70 (16): 165304. Bibcode:2004PhRvB..70p5304C. Дои:10.1103 / PhysRevB.70.165304.
22. Bauer, R.J .; Bowman, B.F .; Кеньон, Дж. Л. (1987). «Теория кинетического анализа данных патч-кламп». Биофизический журнал. 52 (6): 961–78. Bibcode:1987BpJ .... 52..961B. Дои:10.1016 / S0006-3495 (87) 83289-7. ЧВК  1330095. PMID  2447973.
23. Кинкер, П. (1989). «Эквивалентность агрегированных марковских моделей стробирования ионных каналов». Труды Королевского общества B: биологические науки. 236 (1284): 269–309. Bibcode:1989RSPSB.236..269K. Дои:10.1098 / rspb.1989.0024. JSTOR  2410562. PMID  2471201. S2CID  29761646.
24. Фредкин, Дональд Р .; Райс, Джон А. (1986). «Об агрегированных марковских процессах». Журнал прикладной теории вероятностей. 23 (1): 208–14. Дои:10.2307/3214130. JSTOR  3214130.
25. Colquhoun, D .; Хоукс, А. Г. (1982). «О стохастических свойствах всплесков открытия одноионных каналов и кластеров всплесков». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 300 (1098): 1–59. Bibcode:1982РСПТБ.300 .... 1С. Дои:10.1098 / rstb.1982.0156. JSTOR  2395924. PMID  6131450.
26. Песня, Л .; Маглеби, К. (1994). «Тестирование на микроскопическую обратимость стробирования макси-каналов K + с использованием двумерных распределений времени пребывания». Биофизический журнал. 67 (1): 91–104. Bibcode:1994BpJ .... 67 ... 91S. Дои:10.1016 / S0006-3495 (94) 80458-8. ЧВК  1225338. PMID  7919030.
27. Цинь, Фэн; Ауэрбах, Энтони; Сакс, Фредерик (2000). «Скрытое марковское моделирование одноканальной кинетики с фильтрацией и коррелированным шумом». Биофизический журнал. 79 (4): 1928–44. Bibcode:2000 баррелей в день .... 79.1928Q. Дои:10.1016 / S0006-3495 (00) 76442-3. ЧВК  1301084. PMID  11023898.
28. Bruno, W. J .; Ян, Дж; Пирсон, Дж. Э. (2005). «Использование независимых переходов из открытого состояния в закрытое для упрощения агрегированных марковских моделей кинетики стробирования ионных каналов». Труды Национальной академии наук. 102 (18): 6326–31. Bibcode:2005ПНАС..102.6326Б. Дои:10.1073 / pnas.0409110102. JSTOR  3375322. ЧВК  1088360. PMID  15843461.
29. Flomenbom, O .; Силби, Р.Дж. (2006). «Использование информационного содержания в траекториях с двумя состояниями». Труды Национальной академии наук. 103 (29): 10907–10. arXiv:q-bio / 0703013. Bibcode:2006PNAS..10310907F. Дои:10.1073 / pnas.0604546103. JSTOR  30049381. ЧВК  1544147. PMID  16832051.
30. Фломенбом, Офир; Клафтер, Джозеф; Сабо, Аттила (2005). "Что можно узнать из траекторий одной молекулы с двумя состояниями?". Биофизический журнал. 88 (6): 3780–3. arXiv:q-bio / 0502006. Bibcode:2005BpJ .... 88.3780F. Дои:10.1529 / biophysj.104.055905. ЧВК  1305612. PMID  15764653.
31. Flomenbom, O .; Силби, Р. Дж. (2008). «Набор инструментов для анализа конечных траекторий с двумя состояниями». Физический обзор E. 78 (6): 066105. arXiv:0802.1520. Bibcode:2008PhRvE..78f6105F. Дои:10.1103 / PhysRevE.78.066105. PMID  19256903. S2CID  16196911.
32. Фломенбом, Офир (2011). «Сделать это возможным: построение надежного механизма по конечной траектории». В Комацузаки, Тамики; Каваками, Масару; Такахаши, Сатоши; Ян, Гав; Силби, Роберт Дж. (Ред.). Биофизика одиночных молекул: эксперимент и теория, том 146. Успехи химической физики. С. 367–93. arXiv:0912.3952. Дои:10.1002 / 9781118131374.ch13. ISBN  978-1-118-13137-4. S2CID  15743989.