Молекулярный узел - Molecular knot

В химия, а молекулярный узел это механически взаимосвязанная молекулярная архитектура что аналогично макроскопическому морской узел.[1] Естественно образующиеся молекулярные узлы находятся в органических молекулах, таких как ДНК, РНК, и белки. Нет уверенности в том, что естественные узлы имеют эволюционное преимущество перед нуклеиновыми кислотами или белками, хотя считается, что образование узлов играет роль в структуре, стабильности и функции связанных биологических молекул.[2] Механизм, с помощью которого в молекулах естественным образом образуются узлы, и механизм, с помощью которого молекула стабилизируется или улучшается за счет образования узлов, неоднозначен.[3] Изучение молекулярных узлов включает формирование и применение как встречающихся в природе, так и химически синтезированный молекулярные узлы. Применение химическая топология и теория узлов к молекулярным узлам позволяет биологам лучше понять структуру и синтез связанных органических молекул[1].

Период, термин узловатый был придуман Vögtle и другие. в 2000 г. для описания молекулярных узлов по аналогии с ротаксаны и катенаны, которые представляют собой другие механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры.[1][4] Этот термин не был широко принят химиками и не был принят ИЮПАК.

Кристаллическая структура молекулярного узла-трилистника с двумя связанными внутри него шаблонными ионами меди (I) сообщается Жан Пьер Соваж и коллеги [5]
Кристаллическая структура молекулярного узла трилистника, описанная Фогтле и его коллегами в Энгью. Chem. Int. Эд., 2000, 1616–1618.

Встречающиеся в природе молекулярные узлы

Органические молекулы, содержащие узлы, могут подпадать под категорию скользящих узлов или псевдоузлов.[2] Они не считаются математическими узлами, потому что они не замкнутая кривая, а скорее узел, который существует внутри линейной цепи с концами на каждом конце. Считается, что связанные белки образуют молекулярные узлы во время процесса сворачивания их третичной структуры, а связанные с узлами нуклеиновые кислоты обычно образуют молекулярные узлы во время геномной репликации и транскрипции.[6] хотя детали механизма завязывания узлов продолжают оставаться спорными и неоднозначными. Молекулярное моделирование является фундаментальным для исследования механизмов молекулярного образования узлов.

Узловатая ДНК была впервые обнаружена Лю и др. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой ДНК бактерий было обнаружено, что двухцепочечная кольцевая ДНК также образует узлы. О РНК с естественными узлами пока не сообщалось.[7]

Идентифицирован ряд белков, содержащих встречающиеся в природе молекулярные узлы. Типы узлов, встречающиеся в естественных условиях в белках: и узлов, как указано в База данных KnotProt известных узловатых белков.[8]

Химически синтезированные молекулярные узлы

Сообщалось о нескольких синтетических молекулярных узлах.[9][10][11][12][13][14] Типы узлов, которые были успешно синтезированы в молекулах: и 819 узлы. Хотя и Было обнаружено, что узлы в природе встречаются в связанных молекулах, но синтезировать их не удалось. Композитные низкомолекулярные узлы также не синтезированы.[7]

Успешно синтезированы искусственные ДНК, РНК и белковые узлы. ДНК является особенно полезной моделью синтеза синтетических узлов, так как структура естественным образом образует взаимосвязанные структуры, и с ее помощью можно легко манипулировать для формирования узлов.[15] точно контролируйте растрескивание, необходимое для образования узлов. Молекулярные узлы часто синтезируются с помощью лигандов-ионов металлов.[7]

История

Первым исследователем, предположившим существование молекулярного узла в белке, была Джейн Ричардсон в 1977 году, которая сообщила, что карбоангидраза B (CAB) обнаруживает очевидные узлы во время исследования топологического поведения различных белков.[16] Тем не менее, исследователем, который, как правило, приписывают открытие первого узловатого белка, является Марк. L. Mansfield в 1994 году, поскольку он первым специально исследовал возникновение узлов в белках и подтвердил существование узла-трилистника в CAB. Узловатая ДНК была впервые обнаружена Лю и др. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой ДНК бактерий было обнаружено, что двухцепочечная кольцевая ДНК также образует узлы.[17]

В 1989 году Sauvage и его коллеги сообщили о первой синтетической узловатой молекуле: трилистнике, синтезированном через комплекс двойной спирали с помощью ионов Cu +.[18]

Vogtle et al. был первым, кто описал молекулярные узлы как узловатый в 2000 г.[1] Также в 2000 году Уильямом Тейлором был создан альтернативный вычислительный метод для анализа белковых узлов, который устанавливает концы в фиксированную точку, достаточно далеко от узловатого компонента молекулы, чтобы можно было четко определить тип узла. В этом исследовании Тейлор обнаружил глубокую узел в протеине.[19] Этим исследованием Тейлор подтвердил существование белков с глубокими узлами.

В 2007 году Эрик Йейтс сообщил об идентификации молекулярного скользящего узла, когда молекула содержит узловые субцепи, хотя их основная цепь в целом не имеет узлов и не содержит полностью узловых структур, которые легко обнаружить с помощью вычислительных моделей.[20] Математически узлы скольжения трудно анализировать, потому что они не распознаются при исследовании всей конструкции.

А пятилистник узел, полученный с использованием динамической ковалентной химии, был синтезирован Ayme et al. в 2012 году, который в то время был самым сложным молекулярным узлом, не связанным с ДНК, созданным на сегодняшний день.[21] Позже в 2016 году также сообщалось о полностью органическом пятилистном узле, в том числе о самом первом использовании молекулярного узла для аллостерической регуляции катализа.[22] В январе 2017 г.19 узел был синтезирован Дэвид Ли группа, составляющая 819 узел синтезированный сложнейший молекулярный узел.[23]

Приложения

Многие синтетические молекулярные узлы имеют отчетливую шаровидная форма и размеры, которые делают их потенциальными строительными блоками в нанотехнологии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Лукин Олег; Фогтле, Фриц (25 февраля 2005 г.). «Узлы и нити молекул: химия и хиральность молекулярных узлов и их сборок». Angewandte Chemie International Edition. 44 (10): 1456–1477. Дои:10.1002 / anie.200460312. PMID  15704147.
  2. ^ а б Lim, Nicole C.H .; Джексон, Софи Э. (20 августа 2015 г.). «Молекулярные узлы в биологии и химии». Журнал физики: конденсированное вещество. 27 (35): 354101. Bibcode:2015JPCM ... 27I4101L. Дои:10.1088/0953-8984/27/35/354101. ISSN  0953-8984. PMID  26291690.
  3. ^ Сюй, Ян; Ли, Шиксин; Ян, Цзэншуай; Ло, Чжэнь; Рен, Хао; Ге, Баошэн; Хуанг, Фанг; Юэ, Тонгтао (2018-11-06). «Стабилизирующее действие собственных узлов на белки, выявленное с помощью моделирования молекулярной динамики». Биофизический журнал. 115 (9): 1681–1689. Bibcode:2018BpJ ... 115.1681X. Дои:10.1016 / j.bpj.2018.09.015. ISSN  0006-3495. ЧВК  6225051. PMID  30314655.
  4. ^ Safarowsky O, Nieger M, Fröhlich R, Vögtle F (2000). «Молекулярный узел с двенадцатью амидными группами - одностадийный синтез, кристаллическая структура, хиральность». Angewandte Chemie International Edition. 39 (9): 1616–1618. Дои:10.1002 / (SICI) 1521-3773 (20000502) 39: 9 <1616 :: AID-ANIE1616> 3.0.CO; 2-Y. PMID  10820452.
  5. ^ Albrecht-Gary, A.M .; Мейер, М .; Dietrich-Buchecker, C.O .; Sauvage, J. P .; Guilhem, J .; Паскар, К. (2 сентября 2010 г.). «Узлы-трилистники Dicopper (I): исследования кинетики деметаллирования 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; Янь, Хао (2018-11-02). «Программирование молекулярных топологий из одноцепочечных нуклеиновых кислот». Nature Communications. 9 (1): 4579. Bibcode:2018НатКо ... 9.4579Q. Дои:10.1038 / s41467-018-07039-7. ISSN  2041-1723. ЧВК  6214983. PMID  30389935.
  7. ^ а б c Филден, Стивен Д. П .; Leigh, David A .; Вольтеринг, Штеффен Л. (04.09.2017). «Молекулярные узлы». Angewandte Chemie International Edition. 56 (37): 11166–11194. Дои:10.1002 / anie.201702531. ISSN  1433-7851. ЧВК  5582600. PMID  28477423.
  8. ^ Ямроз, Михал; Немиска, Ванда; Родон, Эрик Дж .; Стасяк, Анджей; Millett, Kenneth C .; Сулковский, Петр; Сулковска, Иоанна I. (28 января 2015 г.). «KnotProt: база данных белков с узлами и сучками». Исследования нуклеиновых кислот. 43 (Проблема с базой данных): D306 – D314. Дои:10.1093 / нар / gku1059. ISSN  0305-1048. ЧВК  4383900. PMID  25361973.
  9. ^ Эштон, Питер Р .; Matthews, Owen A .; Менцер, Стефан; Raymo, Françisco M .; Спенсер, Нил; Стоддарт, Дж. Фрейзер; Уильямс, Дэвид Дж. (Декабрь 1997 г.). "Молекулярный Meccano, 27. Шаблон-управляемый синтез молекулярного узла трилистника". Либигс Аннален. 1997 (12): 2485–2494. Дои:10.1002 / jlac.199719971210.
  10. ^ Рапенна, Гвенаэль; Дитрих-Бюшекер и Жан-Пьер Соваж *, Кристиан; Соваж, Жан-Пьер (февраль 1999 г.). «Синтез молекулярных узлов, содержащих два тетраэдрических или октаэдрических координационных узла» по шаблону 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; Фрёлих, Роланд (25 августа 2006 г.). «Узел-трилистник, сделанный из аминокислот и стероидов». Angewandte Chemie International Edition. 45 (34): 5698–5702. Дои:10.1002 / anie.200601111. PMID  16856201.
  12. ^ Го, Цзюнь; Mayers, Paul C .; Breault, Gloria A .; Хантер, Кристофер А. (7 февраля 2010 г.). «Синтез молекулярного узла трилистника складыванием и закрытием на октаэдрическом шаблоне координации». Химия природы. 2 (3): 218–222. Bibcode:2010НатЧ ... 2..218Г. Дои:10.1038 / nchem.544. PMID  21124480.
  13. ^ Barran, Perdita E .; Cole, Harriet L .; Goldup, Стивен М .; Leigh, David A .; McGonigal, Paul R .; Саймс, Марк Д .; Ву, Дженьи; Зенгерле, Майкл (16 декабря 2011 г.). "Синтез шаблона активного металла из молекулярного трилистника". Angewandte Chemie International Edition. 50 (51): 12280–12284. Дои:10.1002 / anie.201105012. PMID  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. ^ Соваж, Жан-Пьер; Амабилино, Дэвид Б. (2012), «Шаблонный синтез узлов и равельсов», Супрамолекулярная химия, Американское онкологическое общество, Дои:10.1002 / 9780470661345.smc085, ISBN  978-0-470-66134-5
  16. ^ Ричардсон, Джейн С. (август 1977 г.). «Топология β-листа и родство белков». Природа. 268 (5620): 495–500. Bibcode:1977Натура.268..495р. Дои:10.1038 / 268495a0. ISSN  1476-4687. PMID  329147.
  17. ^ Лю, Л. Ф .; Дэвис, Дж. Л.; Календарь, R (1981-08-25). «Новая топологически связанная ДНК из капсидов бактериофага P4: исследования с ДНК-топоизомеразами». Исследования нуклеиновых кислот. 9 (16): 3979–3989. Дои:10.1093 / nar / 9.16.3979. ISSN  0305-1048. ЧВК  327409. PMID  6272191.
  18. ^ 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.
  19. ^ Файска, Патриция Ф. Н. (01.01.2015). «Связанные белки: запутанный рассказ о структурной биологии». Журнал вычислительной и структурной биотехнологии. 13: 459–468. Дои:10.1016 / j.csbj.2015.08.003. ISSN  2001-0370. ЧВК  4556803. PMID  26380658.
  20. ^ Кинг, Нил П .; Йейтс, Эрик О .; Йейтс, Тодд О. (2007-10-12). «Идентификация редких узлов скольжения в белках и их значение для стабильности и складывания». Журнал молекулярной биологии. 373 (1): 153–166. Дои:10.1016 / j.jmb.2007.07.042. ISSN  0022-2836. PMID  17764691.
  21. ^ Эйме, Жан-Франсуа; Бевес, Джонатон Э .; Leigh, David A .; Макберни, Рой Т .; Риссанен, Кари; Шульц, Дэвид (6 ноября 2011 г.). «Синтетический молекулярный пятилистный узел». Химия природы. 4 (1): 15–20. Bibcode:2012НатЧ ... 4 ... 15А. Дои:10.1038 / nchem.1193. PMID  22169866.
  22. ^ Маркос, Ванеса; Стивенс, Александр Дж .; Харамильо-Гарсия, Хавьер; Nussbaumer, Alina L .; Woltering, Steffen L .; Валеро, Альберто; Лемонье, Жан-Франсуа; Vitorica-Yrezabal, Iñigo J .; Ли, Дэвид А. (24.06.2016). «Аллостерическое инициирование и регулирование катализа с помощью молекулярного узла». Наука. 352 (6293): 1555–1559. Bibcode:2016Научный ... 352.1555M. Дои:10.1126 / science.aaf3673. ISSN  0036-8075. PMID  27339983.
  23. ^ Данон, Джонатан Дж .; Крюгер, Аннеке; Leigh, David A .; Лемонье, Жан-Франсуа; Стивенс, Александр Дж .; Vitorica-Yrezabal, Iñigo J .; Уолтеринг, Штеффен Л. (13 января 2017 г.). «Плетение молекулярного узла с восемью пересечениями». Наука. 355 (6321): 159–162. Bibcode:2017Научный ... 355..159D. Дои:10.1126 / science.aal1619. ISSN  0036-8075. PMID  28082585.