Jump to content

Молекулярный узел

В химии молекулярный узел представляет собой механически взаимосвязанную молекулярную структуру , аналогичную макроскопическому узлу . [1] Естественно образующиеся молекулярные узлы встречаются в органических молекулах, таких как ДНК , РНК и белки . Нет уверенности в том, что естественные узлы являются эволюционно выгодными для нуклеиновых кислот или белков, хотя считается, что завязывание играет роль в структуре, стабильности и функции завязанных в узлы биологических молекул. [2] Механизм естественного образования узлов в молекулах и механизм, с помощью которого молекула стабилизируется или улучшается за счет завязывания, неоднозначны. [3] Изучение молекулярных узлов включает в себя формирование и применение как природных, так и химически синтезированных молекулярных узлов. Применение химической топологии и теории узлов к молекулярным узлам позволяет биологам лучше понять структуру и синтез узловатых органических молекул. [1]

Термин нотан был придуман Vögtle et al. в 2000 году для описания молекулярных узлов по аналогии с ротаксанами и катенанами , которые представляют собой другие механически взаимосвязанные молекулярные структуры. [1] [4] Этот термин не получил широкого распространения среди химиков и не был принят ИЮПАК .

Кристаллическая структура молекулярного узла-трилистника с двумя связанными внутри него шаблонными ионами меди (I), о которых сообщили Жан Пьер Соваж и его коллеги. [5]
Кристаллическая структура молекулярного узла-трилистника, о которой сообщили Фёгтле и его коллеги в Angew. хим. Межд. Эд. , 2000, 1616–1618.

Молекулярные узлы естественного происхождения

[ редактировать ]

Органические молекулы, содержащие узлы, могут относиться к категориям скользящих узлов или псевдоузлов. [2] Их не считают математическими узлами, потому что они не являются замкнутой кривой, а скорее узлом, который существует внутри линейной цепи с концами на каждом конце. Считается, что завязанные белки образуют молекулярные узлы во время процесса сворачивания их третичной структуры, а завязанные нуклеиновые кислоты обычно образуют молекулярные узлы во время геномной репликации и транскрипции. [6] хотя детали механизма завязывания продолжают оставаться спорными и неоднозначными. Молекулярное моделирование имеет фундаментальное значение для исследования механизмов молекулярного образования узлов.

Узловатая ДНК была впервые обнаружена Лю и соавт. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой бактериальной ДНК, хотя было обнаружено, что двухцепочечная кольцевая ДНК также образует узлы. О естественно завязанной РНК пока не сообщалось. [7]

Идентифицирован ряд белков, содержащих встречающиеся в природе молекулярные узлы. Типы узлов, встречающиеся в белках в природе, — это и узлы, как указано в базе данных KnotProt известных белков с узлами. [8]

Химически синтезированные молекулярные узлы

[ редактировать ]

Сообщалось о нескольких синтетических молекулярных узлах. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

Кристаллическая структура контрспирального узла-трилистника, о которой сообщили Чжичан Лю и его коллеги в Nat. Синтез. 2023 , 2 , 17–25 [15]

Типы узлов, которые были успешно синтезированы в молекулах: и 8 19 узлов. Хотя и Было обнаружено, что узлы естественным образом возникают в завязанных молекулах, но они не были успешно синтезированы. Маломолекулярные композиционные узлы также пока не синтезированы. [7]

Успешно синтезированы искусственные ДНК, РНК и белковые узлы. ДНК является особенно полезной моделью синтеза синтетических узлов, поскольку структура естественным образом образует взаимосвязанные структуры, и ею можно легко манипулировать, образуя узлы. [16] точно контролируйте распутывание, необходимое для образования узлов. Молекулярные узлы часто синтезируются с помощью лигандов важнейших ионов металлов. [7]

Узел Год Ссылка
3 1 1989 [17] [18]
4 1 2014 [19] [18]
5 1 2012 [20] [18] [21]
5 2 2020 [22] [18] [23]
7 1 2020 [24] [18]
7 4 2021 [25] [26]
8 18 2018 [27] [18]
8 19 2017 [28] [18] [29]

Первым исследователем, предположившим существование молекулярного узла в белке, была Джейн Ричардсон в 1977 году, которая сообщила, что карбоангидраза B (CAB) продемонстрировала явное завязывание во время своего исследования топологического поведения различных белков. [30] Однако исследователем, который обычно приписывают открытие первого узловатого белка, является Марк. Л. Мэнсфилдом в 1994 году, так как он первым специально исследовал возникновение узлов в белках и подтвердил существование узла-трилистника в CAB. Узловатая ДНК была впервые обнаружена Лю и соавт. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой бактериальной ДНК, хотя было обнаружено, что двухцепочечная кольцевая ДНК также образует узлы. [31]

В 1989 году Соваж и его коллеги сообщили о первой синтетической узловатой молекуле: трилистнике, синтезированном посредством комплекса двойной спирали с помощью ионов Cu+. [17]

Фогтл и др. был первым, кто описал молекулярные узлы как нотаны в 2000 году. [1] Также в 2000 году Уильям Тейлор создал альтернативный вычислительный метод для анализа завязывания белков, который устанавливал концы в фиксированной точке, достаточно далекой от завязанного компонента молекулы, чтобы можно было четко определить тип узла. В этом исследовании Тейлор обнаружил глубокую узел в белке. [32] Этим исследованием Тейлор подтвердил существование белков с глубокими узлами.

В 2007 году Эрик Йейтс сообщил об обнаружении молекулярного скользящего узла, когда молекула содержит завязанные подцепи, хотя их основная цепь в целом не завязана и не содержит полностью завязанных структур, которые легко обнаружить с помощью вычислительных моделей. [33] Математически скользящие узлы трудно анализировать, поскольку они не распознаются при исследовании всей структуры.

Узел пятилистника , приготовленный с использованием динамической ковалентной химии, был синтезирован Ayme et al. в 2012 году, который на тот момент был самым сложным молекулярным узлом, не связанным с ДНК, из когда-либо созданных. [20] Позже в 2016 году также сообщалось о полностью органическом узле пятилистника, включая самое первое использование молекулярного узла для аллостерического регулирования катализа. [34] 8 19 синтезировала узел В январе 2017 года группа Дэвида Ли , что сделало узел 8 19 самым сложным синтезированным молекулярным узлом. [28]

Важным достижением в теории узлов является учет внутрицепочечных контактов внутри запутанной молекулярной цепи. Топология схемы возникла как структура топологии, которая формализует расположение контактов, а также пересечение цепей в сложенной линейной цепи. В качестве дополнительного подхода, Колин Адамс. и др. разработали теорию сингулярных узлов, применимую к свернутым линейным цепям с внутримолекулярными взаимодействиями. [35]

Приложения

[ редактировать ]

Многие синтетические молекулярные узлы имеют отчетливую шаровидную форму и размеры, что делает их потенциальными строительными блоками в нанотехнологиях .

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Лукин Олег; Фёгтле, Фриц (25 февраля 2005 г.). «Завязывание и пронизывание молекул: химия и хиральность молекулярных узлов и их агрегатов». Angewandte Chemie, международное издание . 44 (10): 1456–1477. дои : 10.1002/anie.200460312 . ПМИД   15704147 .
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Лим, Николь Ч.; Джексон, Софи Э. (20 августа 2015 г.). «Молекулярные узлы в биологии и химии» . Физический журнал: конденсированное вещество . 27 (35): 354101. Бибкод : 2015JPCM...27I4101L . дои : 10.1088/0953-8984/27/35/354101 . ISSN   0953-8984 . ПМИД   26291690 .
  3. ^ Сюй, Ян; Ли, Шиксин; Ян, Цзэншуай; Ло, Чжэнь; Рен, Хао; Гэ, Баошэн; Хуан, Фанг; Юэ, Тонгтао (06 ноября 2018 г.). «Стабилизирующее влияние собственных узлов на белки, выявленное с помощью молекулярно-динамического моделирования» . Биофизический журнал . 115 (9): 1681–1689. Бибкод : 2018BpJ...115.1681X . дои : 10.1016/j.bpj.2018.09.015 . ISSN   0006-3495 . ПМК   6225051 . ПМИД   30314655 .
  4. ^ Сафаровский О, Нигер М, Фрелих Р, Фёгтле Ф (2000). «Молекулярный узел с двенадцатью амидными группами - одностадийный синтез, кристаллическая структура, хиральность». Angewandte Chemie, международное издание . 39 (9): 1616–1618. doi : 10.1002/(SICI)1521-3773(20000502)39:9<1616::AID-ANIE1616>3.0.CO;2-Y . ПМИД   10820452 .
  5. ^ Альбрехт-Гэри, AM; Мейер, М.; Дитрих-Бучекер, Колорадо; Соваж, JP; Гильем, Дж.; Паскар, К. (2 сентября 2010 г.). «Узлы трилистника димеди (I): кинетические исследования деметаллизации и молекулярные структуры». Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas . 112 (6): 427–428. дои : 10.1002/recl.19931120622 .
  6. ^ Ци, Сяодун; Чжан, Фэй; Су, Чжаомин; Цзян, Шуосин; Хан, Донгран; Дин, Баоцюань; Лю, Ян; Чиу, Вау; Инь, Пэн; Ян, Хао (2 ноября 2018 г.). «Программирование молекулярных топологий из одноцепочечных нуклеиновых кислот» . Природные коммуникации . 9 (1): 4579. Бибкод : 2018NatCo...9.4579Q . дои : 10.1038/s41467-018-07039-7 . ISSN   2041-1723 . ПМК   6214983 . ПМИД   30389935 .
  7. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Филден, Стивен Д. П.; Ли, Дэвид А.; Уолтеринг, Штеффен Л. (4 сентября 2017 г.). «Молекулярные узлы» . Angewandte Chemie, международное издание . 56 (37): 11166–11194. дои : 10.1002/anie.201702531 . ISSN   1433-7851 . ПМЦ   5582600 . ПМИД   28477423 .
  8. ^ Джамроз, Михал; Немышка, Ванда; Родон, Эрик Дж.; Стасяк, Анджей; Миллетт, Кеннет К.; Сулковский, Петр; Сулковска, Иоанна И. (28 января 2015 г.). «KnotProt: база данных белков с узлами и скользящими узлами» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (Проблема с базой данных): D306–D314. дои : 10.1093/nar/gku1059 . ISSN   0305-1048 . ПМК   4383900 . ПМИД   25361973 .
  9. ^ Эштон, Питер Р.; Мэтьюз, Оуэн А.; Менцер, Стефан; Раймо, Франсиско М.; Спенсер, Нил; Стоддарт, Дж. Фрейзер; Уильямс, Дэвид Дж. (декабрь 1997 г.). «Молекулярный конструктор, 27. Направленный на шаблон синтез молекулярного узла-трилистника». Либигс Аннален . 1997 (12): 2485–2494. дои : 10.1002/jlac.199719971210 .
  10. ^ Рапенн, Гвенаэль; Дитрих-Бушекер и Жан-Пьер Соваж *, Кристиан; Соваж, Жан-Пьер (февраль 1999 г.). «Синтез молекулярных узлов, содержащих два тетраэдрических или октаэдрических координационных центра, с использованием шаблонов меди (I) или железа (II)». Журнал Американского химического общества . 121 (5): 1002–1015. дои : 10.1021/ja982239+ .
  11. ^ Фейгель, Мартин; Ладберг, Рюдигер; Энгельс, Симон; Хербст-Ирмер, Регина; Фрелих, Роланд (25 августа 2006 г.). «Узел-трилистник из аминокислот и стероидов». Международное издание «Прикладная химия» . 45 (34): 5698–5702. дои : 10.1002/anie.200601111 . ПМИД   16856201 .
  12. ^ Го, Цзюнь; Майерс, Пол С.; Бро, Глория А.; Хантер, Кристофер А. (7 февраля 2010 г.). «Синтез молекулярного узла-трилистника путем складывания и замыкания октаэдрического координационного шаблона». Природная химия . 2 (3): 218–222. Бибкод : 2010НатЧ...2..218Г . дои : 10.1038/nchem.544 . ПМИД   21124480 .
  13. ^ Барран, Пердита Э.; Коул, Харриет Л.; Голдуп, Стивен М.; Ли, Дэвид А.; МакГонигал, Пол Р.; Саймс, Марк Д.; Ву, Джени; Зегерле, Майкл (16 декабря 2011 г.). «Синтез молекулярного узла-трилистника на основе активного металла». Angewandte Chemie, международное издание . 50 (51): 12280–12284. дои : 10.1002/anie.201105012 . ПМИД   21919173 .
  14. ^ Карина, Риккардо Ф.; Дитрих-Бучекер, Кристиана; Соваж, Жан-Пьер (январь 1996 г.). «Молекулярные композитные узлы». Журнал Американского химического общества . 118 (38): 9110–9116. дои : 10.1021/ja961459p .
  15. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ву, Л; Тан, М; Цзян, Л; Чен, Ю; Биан, Л; Лю, Дж; Ван, С; Лян, Ю; Лю, Z (2023). «Синтез контрспиральных узлов-трилистника с механически настраиваемыми свойствами спин-кроссовера». Синтез природы . 2 : 17–25. дои : 10.1038/s44160-022-00173-7 . ISSN   2468-5194 . S2CID   253054404 .
  16. ^ Соваж, Жан-Пьер; Амабилино, Дэвид Б. (2012), «Шаблонный синтез узлов и равелов», Супрамолекулярная химия , Американское онкологическое общество, номер документа : 10.1002/9780470661345.smc085 , ISBN  978-0-470-66134-5
  17. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Дитрих-Бучекер, Кристиана О.; Соваж, Жан-Пьер (1989). «Синтетический молекулярный узел-трилистник». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 28 (2): 189–192. дои : 10.1002/anie.198901891 . ISSN   1521-3773 .
  18. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Шауфельбергер, Фредрик (04 декабря 2020 г.). «Открытые вопросы функциональной молекулярной топологии» . Химия связи . 3 (1): 182. дои : 10.1038/s42004-020-00433-7 . ISSN   2399-3669 . ПМЦ   9814244 . ПМИД   36703419 .
  19. ^ Поннусвами, Нандини; Куньон, Фабьен Б.Л.; Пантош, Г. Дэн; Сандерс, Джереми К.М. (11 июня 2014 г.). «Гомохиральные и мезоузлы в виде восьмерки и Соломоново звено» . Журнал Американского химического общества . 136 (23): 8243–8251. дои : 10.1021/ja4125884 . ISSN   0002-7863 . ПМИД   24831779 .
  20. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Эм, Жан-Франсуа; Бевес, Джонатон Э.; Ли, Дэвид А.; Макберни, Рой Т.; Риссанен, Кари; Шульц, Дэвид (6 ноября 2011 г.). «Синтетический молекулярный узел пятилистника». Природная химия . 4 (1): 15–20. Бибкод : 2012НатЧ...4...15А . дои : 10.1038/nchem.1193 . ПМИД   22169866 .
  21. ^ «Связывание молекул в узлы» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
  22. ^ Ли, Дэвид А.; Шауфельбергер, Фредрик; Пирву, Люциан; Стенлид, Йоаким Халлдин; Август, Дэвид П.; Сегар, Жюльен (27 августа 2020 г.). «Завязывание разных узлов в молекулярной нити» . Природа . 584 (7822): 562–568. дои : 10.1038/s41586-020-2614-0 . ISSN   0028-0836 . ПМИД   32848222 . S2CID   221346706 .
  23. ^ «Молекулярный узел 5-2» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
  24. ^ Иномата, Юки; Савада, Томохиса; Фудзита, Макото (январь 2020 г.). «Металло-пептидные торические узлы из гибких коротких пептидов» . Хим . 6 (1): 294–303. дои : 10.1016/j.chempr.2019.12.009 . S2CID   213401688 .
  25. ^ Ли, Дэвид А.; Данон, Джонатан Дж.; Филден, Стивен Д. П.; Лемонье, Жан-Франсуа; Уайтхед, Джордж Ф.С.; Уолтеринг, Штеффен Л. (февраль 2021 г.). «Молекулярный бесконечный (74) узел» . Природная химия . 13 (2): 117–122. дои : 10.1038/s41557-020-00594-x . ISSN   1755-4330 . ПМИД   33318672 . S2CID   229163544 .
  26. ^ «Бесконечный узел» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
  27. ^ Ким, Дон Хван; Сингх, Нем; О, Джихун; Ким, Ын-Хи; Юнг, Джэхун; Ким, Хёнук; Чи, Ки-Ван (14 мая 2018 г.). «Координационная самосборка молекулярного узла, состоящего из шестнадцати пересечений» . Angewandte Chemie, международное издание . 57 (20): 5669–5673. дои : 10.1002/anie.201800638 . ISSN   1433-7851 . ПМИД   29569315 .
  28. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Данон, Джонатан Дж.; Крюгер, Аннеке; Ли, Дэвид А.; Лемонье, Жан-Франсуа; Стивенс, Александр Дж.; Виторика-Ирезабал, Иньиго Х.; Уолтеринг, Штеффен Л. (13 января 2017 г.). «Плетение молекулярного узла с восемью перекрещиваниями» . Наука . 355 (6321): 159–162. Бибкод : 2017Sci...355..159D . дои : 10.1126/science.aal1619 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   28082585 . S2CID   206654419 .
  29. ^ «Синтетический молекулярный узел 819» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
  30. ^ Ричардсон, Джейн С. (август 1977 г.). «Топология β-листа и родство белков». Природа . 268 (5620): 495–500. Бибкод : 1977Natur.268..495R . дои : 10.1038/268495a0 . ISSN   1476-4687 . ПМИД   329147 . S2CID   4287690 .
  31. ^ Лю, Л.Ф.; Дэвис, Дж. Л.; Календарь, Р (25 августа 1981 г.). «Новая топологически завязанная ДНК из капсидов бактериофага P4: исследования ДНК-топоизомераз» . Исследования нуклеиновых кислот . 9 (16): 3979–3989. дои : 10.1093/нар/9.16.3979 . ISSN   0305-1048 . ПМК   327409 . ПМИД   6272191 .
  32. ^ Фаиска, Патрисия ФН (01 января 2015 г.). «Завязанные белки: запутанная история структурной биологии» . Журнал вычислительной и структурной биотехнологии . 13 : 459–468. дои : 10.1016/j.csbj.2015.08.003 . ISSN   2001-0370 . ПМК   4556803 . ПМИД   26380658 .
  33. ^ Кинг, Нил П.; Йейтс, Эрик О.; Йейтс, Тодд О. (12 октября 2007 г.). «Идентификация редких скользящих узлов в белках и их влияние на стабильность и сворачивание». Журнал молекулярной биологии . 373 (1): 153–166. дои : 10.1016/j.jmb.2007.07.042 . ISSN   0022-2836 . ПМИД   17764691 .
  34. ^ Маркос, Ванеса; Стивенс, Александр Дж.; Харамильо-Гарсия, Хавьер; Нуссбаумер, Алина Л.; Уолтеринг, Штеффен Л.; Валеро, Альберто; Лемонье, Жан-Франсуа; Виторика-Ирезабал, Иньиго Х.; Ли, Дэвид А. (24 июня 2016 г.). «Аллостерическое инициирование и регуляция катализа молекулярным узлом» . Наука . 352 (6293): 1555–1559. Бибкод : 2016Sci...352.1555M . doi : 10.1126/science.aaf3673 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   27339983 . S2CID   206647890 .
  35. ^ Колин Адамс, Джуда Девадосс, Мохамед Эльхамдади и Алиреза Машаги, Теория узлов для белков: коды Гаусса, квандлы и связи. Журнал математической химии, том 58, страницы 1711–1736 (2020)
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3e97ed37428b147af2f2bdc6e0f323e2__1705056720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3e/e2/3e97ed37428b147af2f2bdc6e0f323e2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Molecular knot - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)