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 .
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]
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 композитные 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] |
История
[ редактировать ]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 ее исследования топологического поведения различных белков. [30] Однако исследователем, который обычно приписывает 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 фиксированную точку, достаточно далекую 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 представлял собой самый сложный молекулярный узел, не связанный с ДНК, из известных на сегодняшний день. [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 цепи 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 ]- Топология цепи свернутых линейных молекул
- Супрамолекулярная химия
- Завязанный белок
- Узловатые полимеры
- Топология (химия)
- Теория узлов
- Молекулярные кольца Борромео
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Лукин Олег; Фёгтле, Фриц (25 февраля 2005 г.). «Завязывание и пронизывание молекул: химия и хиральность молекулярных узлов и их сборок». Angewandte Chemie, международное издание . 44 (10): 1456–1477. дои : 10.1002/anie.200460312 . ПМИД 15704147 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Альбрехт-Гэри, AM; Мейер, М.; Дитрих-Бучекер, Колорадо; Соваж, JP; Гильем, Дж.; Паскар, К. (2 сентября 2010 г.). «Узлы трилистника димеди (I): кинетические исследования деметаллации и молекулярные структуры». Коллекция Нидерландского химического завода . 112 (6): 427–428. дои : 10.1002/recl.19931120622 .
- ^ Ци, Сяодун; Су, Чжаомин; Хань, Дунгран; Лю, Янь; Инь, Ян, Хао (02.11.2018) . Топологии из одноцепочечных нуклеиновых кислот » связь . 9 ( 4579. Bibcode : ... 9.4579q . DOI : S41467-018-07039-7 . 1 . : ) / 2018natco Природная 10.1038 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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+ .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ «Связывание молекул в узлы» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
- ^ 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 .
- ^ «Молекулярный узел 5-2» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Бесконечный узел» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
- ^ Ким, Дон Хван; Сингх, Нем; О, Джихун; Ким, Ын-Хи; Юнг, Джехун; 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 .
- ^ Jump up to: а б Данон, Джонатан Дж.; Крюгер, Аннеке; Ли, Дэвид А.; Лемонье, Жан-Франсис; Стивенс, Александр Дж.; Виторика-Ирезабал, Иниго Дж.; Уолтеринг, Стивен 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 .
- ^ «Синтетический молекулярный узел 819» . www.catenane.net . Проверено 03 декабря 2023 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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)
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «KnotProt 2.0: База данных белков с узлами и скользящими узлами» . nodeprot.cent.uw.edu.pl .