stringtranslate.com

Молекулярный узел

В химии молекулярный узел — это механически связанная молекулярная архитектура , которая аналогична макроскопическому узлу . [1] Естественно образующиеся молекулярные узлы встречаются в органических молекулах, таких как ДНК , РНК и белки . Неясно, являются ли естественно образующиеся узлы эволюционно выгодными для нуклеиновых кислот или белков, хотя считается, что образование узлов играет роль в структуре, стабильности и функции связанных биологических молекул. [2] Механизм, посредством которого узлы естественным образом образуются в молекулах, и механизм, посредством которого молекула стабилизируется или улучшается путем образования узлов, неоднозначны. [3] Изучение молекулярных узлов включает в себя формирование и применение как естественных, так и химически синтезированных молекулярных узлов. Применение химической топологии и теории узлов к молекулярным узлам позволяет биологам лучше понять структуры и синтез связанных органических молекул. [1]

Термин «нотан» был введен Фёгтле и др. в 2000 году для описания молекулярных узлов по аналогии с ротаксанами и катенанами , которые представляют собой другие механически связанные молекулярные архитектуры. [1] [4] Этот термин не получил широкого распространения среди химиков и не был принят ИЮПАК .

Кристаллическая структура молекулярного трилистника с двумя темплатными ионами меди(I), связанными внутри него, описанная Жаном Пьером Соважем и его коллегами [5]
Кристаллическая структура молекулярного трилистника, описанная Фёгтле и его коллегами в Angew. Chem. Int. Ed. , 2000, 1616–1618.

Молекулярные узлы естественного происхождения

Органические молекулы, содержащие узлы, могут попадать в категории скользящих узлов или псевдоузлов. [2] Они не считаются математическими узлами, поскольку они не являются замкнутой кривой, а скорее узлом, который существует внутри в остальном линейной цепи с концами на каждом конце. Считается, что завязанные белки образуют молекулярные узлы во время процесса сворачивания своей третичной структуры, а завязанные 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 имеет основополагающее значение для исследования механизмов молекулярного завязывания узлов.

Узловатая ДНК была впервые обнаружена Лю и др. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой бактериальной ДНК, хотя было обнаружено, что двухцепочечная кольцевая ДНК также образует узлы. Естественно завязанная РНК пока не описана. [7]

Было выявлено несколько белков, содержащих молекулярные узлы естественного происхождения. Типы узлов, которые, как обнаружено, встречаются в белках естественным образом, — это узлы и узлы, как указано в базе данных известных узловых белков KnotProt. [8]

Химически синтезированные молекулярные узлы

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

Кристаллическая структура контрспирального трилистника, описанная Чжичан Лю и его коллегами в Nat. Synth. 2023 , 2 , 17–25 [15]

Типы узлов, которые были успешно синтезированы в молекулах, это и 8 19 узлов. Хотя было обнаружено, что узлы и естественным образом встречаются в заузленных молекулах, они не были успешно синтезированы. Маломолекулярные составные узлы также пока не были синтезированы. [7]

Искусственные узлы ДНК, РНК и белков были успешно синтезированы. ДНК является особенно полезной моделью синтеза синтетических узлов, поскольку структура естественным образом образует взаимосвязанные структуры и может быть легко преобразована в узлы [16] точно контролировать распутывание, необходимое для формирования узлов. Молекулярные узлы часто синтезируются с помощью критических 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) продемонстрировала очевидную узловатость во время ее исследования топологического поведения различных белков. [30] Однако исследователем, которому обычно приписывают открытие первого узловатого белка, является Марк Л. Мэнсфилд в 1994 году, поскольку он был первым, кто специально исследовал возникновение узлов в белках и подтвердил существование трилистникового узла в CAB. Узловатая ДНК была впервые обнаружена Лю и др. 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 узловой молекуле: трилистнике, синтезированном через комплекс двойной спирали с помощью ионов Cu+. [17]

Vogtle et al. были первыми, 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 далеко от завязанного компонента молекулы, чтобы тип узла мог быть четко определен. В этом исследовании Тейлор обнаружил глубокий узел в белке. [32] С помощью этого исследования Тейлор подтвердил существование глубоко завязанных белков.

В 2007 году Эрик Йейтс сообщил об идентификации молекулярного узла скольжения, который возникает, когда молекула содержит завязанные подцепи, хотя их основная цепь в целом не завязана и не содержит полностью завязанных структур, которые легко обнаруживаются с помощью вычислительных моделей. [33] С математической точки зрения узлы скольжения трудно анализировать, поскольку они не распознаются при исследовании полной структуры.

Пентафойловый узел , полученный с использованием динамической ковалентной химии, был синтезирован Эймом и др. в 2012 году, и на тот момент это был самый сложный не-ДНК молекулярный узел, полученный на сегодняшний день. [20] Позже, в 2016 году, также был зарегистрирован полностью органический пентафойловый узел, включая самое первое использование молекулярного узла для аллостерического регулирования катализа. [34] В январе 2017 года группа Дэвида Ли синтезировала узел 8 19 , что сделало узел 8 19 самым сложным синтезированным молекулярным узлом. [28]

Важным достижением в теории узлов является разрешение внутрицепочечных контактов в запутанной молекулярной цепи. Топология цепей возникла как топологическая структура, которая формализует расположение контактов, а также пересечения цепей в сложенной линейной цепи. В качестве дополнительного подхода Колин Адамс и др. разработали теорию сингулярных узлов, которая применима к сложенным линейным цепям с внутримолекулярными взаимодействиями. [35]

Приложения

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Лукин, Олег; Фёгтле, Фриц (25 февраля 2005 г.). «Завязывание и провязывание молекул: химия и хиральность молекулярных узлов и их сборок». Angewandte Chemie International Edition . 44 (10): 1456–1477. doi :10.1002/anie.200460312. PMID  15704147.
  2. ^ ab Lim, Nicole CH; Jackson, Sophie E. (20 августа 2015 г.). «Молекулярные узлы в биологии и химии». Journal of Physics: Condensed Matter . 27 (35): 354101. Bibcode : 2015JPCM...27I4101L. doi : 10.1088/0953-8984/27/35/354101 . ISSN  0953-8984. PMID  26291690.
  3. ^ Сюй, Янь; Ли, Шиксин; Янь, Зенгшуай; Ло, Чжэнь; Жэнь, Хао; Гэ, Баошэн; Хуан, Фан; Юэ, Тунтао (2018-11-06). «Стабилизирующий эффект присущих узлов на белках, выявленный с помощью моделирования молекулярной динамики». Biophysical Journal . 115 (9): 1681–1689. Bibcode :2018BpJ...115.1681X. doi :10.1016/j.bpj.2018.09.015. ISSN  0006-3495. PMC 6225051 . PMID  30314655. 
  4. ^ Safarowsky O, Nieger M, Fröhlich R, Vögtle F (2000). «Молекулярный узел с двенадцатью амидными группами — одношаговый синтез, кристаллическая структура, хиральность». Angewandte Chemie International Edition . 39 (9): 1616–1618. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(20000502)39:9<1616::AID-ANIE1616>3.0.CO;2-Y. PMID  10820452.
  5. ^ Альбрехт-Гэри, AM; Мейер, М.; Дитрих-Бучекер, Колорадо; Соваж, JP; Гильем, Дж.; Паскар, К. (2 сентября 2010 г.). «Узлы-трилистники 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. ^ abc Fielden, Stephen DP; Leigh, David A.; Woltering, Steffen L. (2017-09-04). "Молекулярные узлы". Angewandte Chemie International Edition . 56 (37): 11166–11194. doi :10.1002/anie.201702531. ISSN  1433-7851. PMC 5582600. PMID 28477423  . 
  8. ^ Jamroz, Michal; Niemyska, Wanda; Rawdon, Eric J.; Stasiak, Andrzej; Millett, Kenneth C.; Sułkowski, Piotr; Sulkowska, Joanna I. (2015-01-28). "KnotProt: база данных белков с узлами и скользящими узлами". Nucleic Acids Research . 43 (выпуск базы данных): D306–D314. doi :10.1093/nar/gku1059. ISSN  0305-1048. PMC 4383900. PMID 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. Синтез молекулярного трилистника с использованием шаблона». Liebigs Annalen . 1997 (12): 2485–2494. doi :10.1002/jlac.199719971210.
  10. ^ Рапенн, Гвенаэль; Дитрих-Бухекер и Жан-Пьер Соваж *, Кристиан; Соваж, Жан-Пьер (февраль 1999 г.). «Синтез молекулярных узлов, содержащих два тетраэдрических или октаэдрических координационных узла, с использованием шаблона меди (I) или железа (II)». Журнал Американского химического общества . 121 (5): 1002–1015. doi :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». Angewandte Chemie, международное издание . 45 (34): 5698–5702. дои : 10.1002/anie.200601111. ПМИД  16856201.
  12. ^ Го, Цзюнь; Майерс, Пол К.; Бреулт, Глория А.; Хантер, Кристофер А. (7 февраля 2010 г.). «Синтез молекулярного узла-трилистника путем складывания и закрытия на октаэдрическом координационном шаблоне». Nature Chemistry . 2 (3): 218–222. Bibcode :2010NatCh...2..218G. doi :10.1038/nchem.544. PMID  21124480.
  13. ^ Barran, Perdita E.; Cole, Harriet L.; Goldup, Stephen M.; Leigh, David A.; McGonigal, Paul R.; Symes, Mark D.; Wu, Jhenyi; Zengerle, Michael (16 декабря 2011 г.). "Active-Metal Template Synthesis of a Molecular Trefoil Knot". Angewandte Chemie International Edition . 50 (51): 12280–12284. doi :10.1002/anie.201105012. PMID  21919173.
  14. ^ Карина, Риккардо Ф.; Дитрих-Бухекер, Кристиан; Соваж, Жан-Пьер (январь 1996 г.). «Молекулярные композитные узлы». Журнал Американского химического общества . 118 (38): 9110–9116. doi :10.1021/ja961459p.
  15. ^ ab Wu, L; Tang, M; Jiang, L; Chen, Y; Bian, L; Liu, J; Wang, S; Liang, Y; Liu, Z (2023). «Синтез контра-спиральных трилистниковых узлов с механически настраиваемыми свойствами спин-кроссовера». Nature Synthesis . 2 : 17–25. doi :10.1038/s44160-022-00173-7. ISSN  2468-5194. S2CID  253054404.
  16. ^ Sauvage, Жан-Пьер; Amabilino, Дэвид Б. (2012), «Шаблонный синтез узлов и распутываний», супрамолекулярная химия , Американское онкологическое общество, doi : 10.1002/9780470661345.smc085, ISBN 978-0-470-66134-5
  17. ^ аб 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. ^ abcdefg Шауфельбергер, Фредрик (2020-12-04). "Открытые вопросы функциональной молекулярной топологии". Химия коммуникаций . 3 (1): 182. doi :10.1038/s42004-020-00433-7. ISSN  2399-3669. PMC 9814244. PMID 36703419  . 
  19. ^ Поннусвами, Нандини; Куньон, Фабьен Б.Л.; Пантош, Г. Дан; 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. ^ ab Ayme, Jean-François; Beves, Jonathon E.; Leigh, David A.; McBurney, Roy T.; Rissanen, Kari; Schultz, David (6 ноября 2011 г.). "Синтетический молекулярный пентафойловый узел". Nature Chemistry . 4 (1): 15–20. Bibcode :2012NatCh...4...15A. doi :10.1038/nchem.1193. PMID  22169866.
  21. ^ "Связывание молекул в узлы". www.catenane.net . Получено 2023-12-03 .
  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. PMID  32848222. S2CID  221346706.
  23. ^ "Молекулярный узел 5-2". www.catenane.net . Получено 2023-12-03 .
  24. ^ Иномата, Юки; Савада, Томохиса; Фудзита, Макото (январь 2020 г.). «Металл-пептидные торические узлы из гибких коротких пептидов». Chem . 6 (1): 294–303. doi : 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. PMID  33318672. S2CID  229163544.
  26. ^ "Бесконечный узел". www.catenane.net . Получено 2023-12-03 .
  27. ^ Ким, Дон Хван; Сингх, Нем; О, Джихун; Ким, Ын-Хи; Чон, Джэхун; Ким, Хёнук; Чи, Ки-Ван (2018-05-14). «Управляемая координацией самосборка молекулярного узла, включающего шестнадцать перекрестков». Angewandte Chemie International Edition . 57 (20): 5669–5673. doi :10.1002/anie.201800638. ISSN  1433-7851. PMID  29569315.
  28. ^ аб 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. doi : 10.1126/science.aal1619. ISSN  0036-8075. PMID  28082585. S2CID  206654419.
  29. ^ "Синтетический молекулярный узел 819". www.catenane.net . Получено 2023-12-03 .
  30. ^ Ричардсон, Джейн С. (август 1977 г.). «Топология β-листа и родство белков». Nature . 268 (5620): 495–500. Bibcode :1977Natur.268..495R. doi :10.1038/268495a0. ISSN  1476-4687. PMID  329147. S2CID  4287690.
  31. ^ Лю, Л. Ф.; Дэвис, Дж. Л.; Календарь, Р. (1981-08-25). «Новая топологически завязанная ДНК из капсидов бактериофага P4: исследования с ДНК-топоизомеразами». Nucleic Acids Research . 9 (16): 3979–3989. doi :10.1093/nar/9.16.3979. ISSN  0305-1048. PMC 327409. PMID 6272191  . 
  32. ^ Faísca, Patrícia FN (2015-01-01). «Узловатые белки: запутанная история структурной биологии». Computational and Structural Biotechnology Journal . 13 : 459–468. doi : 10.1016/j.csbj.2015.08.003. ISSN  2001-0370. PMC 4556803. PMID 26380658  . 
  33. ^ Кинг, Нил П.; Йетс, Эрик О.; Йетс, Тодд О. (2007-10-12). «Идентификация редких узлов-слипнотов в белках и их влияние на стабильность и фолдинг». Журнал молекулярной биологии . 373 (1): 153–166. doi :10.1016/j.jmb.2007.07.042. ISSN  0022-2836. PMID  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 с помощью молекулярного узла». Наука . 352 (6293): 1555–1559. Бибкод : 2016Sci...352.1555M. doi : 10.1126/science.aaf3673. ISSN  0036-8075. PMID  27339983. S2CID  206647890.
  35. ^ Колин Адамс, Джуда Девадосс, Мохамед Эльхамдади и Алиреза Машаги, Теория узлов для белков: коды Гаусса, квандлы и бондлы. Журнал математической химии, том 58, страницы 1711–1736 (2020)

Внешние ссылки