Кіріспе
Құрылымы түйінге ұқсас молекула. Химияда молекулалық түйін – макроскопиялық түйінге аналогты, механикалық түрде біріккен молекулалық құрылым. Молекулалық түйіндер ДНК, РНК және ақуыздар сияқты органикалық молекулаларда табиғи түрде кездеседі. Табиғи түйіндердің нуклеин қышқылдары мен ақуыздар үшін эволюциялық артықшылықтары бар-жоғы белгісіз, бірақ түйіндер түйілген биологиялық молекулалардың құрылымы, тұрақтылығы және функциясында маңызды рөл атқарады деп саналады. Молекулаларда түйіндердің қалай пайда болатыны және түйіндіру арқылы молекуланың қалай тұрақталатыны немесе жақсарылатыны нақты емес. Молекулалық түйіндерді зерттеу табиғи және химиялық жолмен синтезделген молекулалық түйіндердің қалыптасуы мен қолданылуын қамтиды. Молекулалық түйіндерге химиялық топология және түйін теориясын қолдану биологтарға түйілген органикалық молекулалардың құрылымын және синтезін жақсырақ түсінуге көмектеседі. Бұл термин химияшылардың арасында кеңінен қабылдалмаған және IUPAC жүйесінде де қолданылмаған.
In chemistry, a molecular knot is a mechanically interlocked molecular architecture that is analogous to a macroscopic knot. Naturally forming molecular knots are found in organic molecules like DNA, RNA, and proteins. It is not certain that naturally occurring knots are evolutionarily advantageous to nucleic acids or proteins, though knotting is thought to play a role in the structure, stability, and function of knotted biological molecules. The mechanism by which knots naturally form in molecules, and the mechanism by which a molecule is stabilized or improved by knotting, is ambiguous. The study of molecular knots involves the formation and applications of both naturally occurring and chemically synthesized molecular knots. Applying chemical topology and knot theory to molecular knots allows biologists to better understand the structures and synthesis of knotted organic molecules. The term has not been broadly adopted by chemists and has not been adopted by IUPAC.
Табиғи молекулалық түйіндер
Ұяшықты құрайтын органикалық молекулалар тұйық түйіндер немесе жалған түйіндер санатына жатқызылуы мүмкін. Дегенмен, түйіндеу механизмі туралы мәліметтер әлі де даулы және түсініксіз болып қалады. Молекулалық модельдеу молекулалық түйіндеу механизмдерін зерттеуде маңызды рөл атқарады. Түйінді ДНК-ны алғаш 1981 жылы Лю және әріптестері бір жіпті, дөңгелек бактериялық ДНК-да тапқан, бірақ екі жіпті дөңгелек ДНК да түйіндер құрайтыны анықталды. Табиғи түйінді РНК әзірге хабарланбады. Табиғи молекулалық түйіндері бар бірнеше белоктар анықталды. Белоктарда табиғи түрде кездесетін түйін түрлері – KnotProt түйінді белоктардың мәліметтер базасында анықталған түйіндер.
Тарих
Молекулалық түйіннің белсенде бар екенін алғаш 1977 жылы Джейн Ричардсон ұсынды. Ол түрлі белоктардың топологиялық мінез-құлқын зерттеу барысында карбон ангидраза В (КАБ) түйінін байқағанын хабарлады. Дегенмен, алғашқы түйінді ақуызды ашқан зерттеуші – Марк Л. Мэнсфилд, ол 1994 жылы ақуыздарда түйіндердің пайда болуын бірінші болып зерттеп, КАБ-да үшбұрыш түйіннің бар екенін растады. Түйінді ДНК-ны алғаш Лю және әріптестері 1981 жылы, бір жіпті, дөңгелек бактериялық ДНК-да тапты, бірақ екі жіпті дөңгелек ДНК да түйіндер құрайтыны анықталды. 1989 жылы Соваж және әріптестері алғашқы синтетикалық түйінді молекула туралы хабарлады: Cu+ иондарының көмегімен қос спираль кешені арқылы синтезделген үш жапырақты түйін. Фогтль және әріптестері 2000 жылы молекулалық түйіндерді «түйіндер» деп атады. Осы зерттеу арқылы Тейлор терең түйінді ақуыздардың бар екенін растады. 2007 жылы Эрик Йейтс молекулалық «сырғанау түйінін» (slipknot) анықтағанын хабарлады, яғни молекулада түйінді кіші тізбектер бар, бірақ олардың негізгі тізбегі тұтастай түйінсіз және толық түйінді құрылымдарды есептеу модельдері оңай анықтай алмайды. Математикалық тұрғыдан алғанда, сырғанау түйіндерін талдау қиын, өйткені олар толық құрылымды зерттеуде танылмайды. Динамикалық ковалентті химияны қолдана отырып дайындалған бес жапырақты түйінні Айм және әріптестері 2012 жылы синтездеді, ол кезде бұл ДНК емес ең күрделі молекулалық түйін болды. Кейін 2016 жылы толық органикалық бес жапырақты түйін туралы да хабарланды, соның ішінде аллостерикалық катализді реттеу үшін молекулалық түйіннің алғашқы қолданылуы. 2017 жылдың қаңтар айында Дэвид Ли тобы 819 түйінін синтездеді, бұл 819 түйінін синтезделген ең күрделі молекулалық түйінге айналдырды. Түйін теориясының маңызды дамуы – бұл молекулалық тізбек ішіндегі тізбектер арасындағы байланыстарды ескеруге мүмкіндік беру. Шектеу топологиясы бүктелген сызықтық тізбектегі байланыстардың орналасуын формалдайтын топологиялық құрылым ретінде пайда болды. Қосымша тәсіл ретінде Колин Адамс және әріптестері молекулааралық өзара әрекеттесуі бар бүктелген сызықтық тізбектерге қолданылатын ерекше түйін теориясын жасады.
Қолданбалар
Көптеген синтетикалық молекулалық түйіндердің ерекше шар тәрізді пішіні және нанотехнологияда қолданылуы мүмкін құрылыс блоктары ретінде пайдалануға ыңғайлы өлшемдері бар.