Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Молекула, структура которой напоминает узел.
Molecule whose structure resembles a knot
В химии молекулярный узел – это механически взаимосвязанная молекулярная архитектура, аналогичная макроскопическому узлу. Природные молекулярные узлы встречаются в органических молекулах, таких как ДНК, РНК и белки. Не установлено, являются ли естественные узлы эволюционно выгодными для нуклеиновых кислот или белков, хотя предполагается, что узлы играют роль в структуре, стабильности и функции узловых биологических молекул. Механизмы естественного образования узлов в молекулах, а также стабилизации или улучшения молекулы за счет завязывания узла, остаются неясными. Изучение молекулярных узлов включает в себя создание и применение как природных, так и химически синтезированных молекулярных узлов. Применение химической топологии и теории узлов к молекулярным узлам позволяет биологам лучше понимать структуру и синтез узловых органических молекул. Этот термин пока не получил широкого распространения среди химиков и не был утвержден IUPAC.
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.
Природные молекулярные узлы
Органические молекулы, содержащие узлы, могут относиться к категории скользящих узлов или псевдоузлов, хотя детали механизма образования узлов продолжают оставаться предметом споров и неясностей. Молекулярное моделирование играет фундаментальную роль в исследовании механизмов молекулярного завязывания узлов. Завязанная ДНК была впервые обнаружена Лю и др. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой бактериальной ДНК, однако было показано, что кольцевая двухцепочечная ДНК также может образовывать узлы. Естественно завязанная РНК пока не зарегистрирована. Было идентифицировано несколько белков, содержащих молекулярные узлы, встречающиеся в природе. Типы узлов, которые естественным образом обнаруживаются в белках, – это и узлы, как указано в базе данных KnotProt известных узловых белков.
Organic molecules containing knots may fall into the categories of slipknots or pseudo knots. though details of knotting mechanism continue to be disputed and ambiguous. Molecular simulations are fundamental to the research on molecular knotting mechanisms. Knotted DNA was found first by Liu et al. in 1981, in single stranded, circular, bacterial DNA, though double stranded circular DNA has been found to also form knots. Naturally knotted RNA has not yet been reported. A number of proteins containing naturally occurring molecular knots have been identified. The knot types found to be naturally occurring in proteins are the and knots, as identified in the KnotProt database of known knotted proteins.
История
Первым исследователем, предположившим существование молекулярного узла в белке, была Джейн Ричардсон в 1977 году, которая сообщила, что углеродистая ангидраза B (CAB) демонстрировала видимое завязывание в узлы в ходе изучения топологического поведения различных белков. Однако Марку Л. Мэнсфилду в 1994 году обычно приписывают открытие первого узлового белка, поскольку он первым целенаправленно исследовал возникновение узлов в белках и подтвердил существование узла «трефойл» в CAB. Узлы в ДНК впервые были обнаружены Лю и др. в 1981 году в одноцепочечной кольцевой бактериальной ДНК, хотя было показано, что и двухцепочечная кольцевая ДНК также может образовывать узлы. В 1989 году Соваж и его коллеги сообщили о первой синтетической узловой молекуле: «трефойл», синтезированном посредством комплекса двойной спирали с использованием ионов Cu+. Вогтль и др. первыми в 2000 году описали молекулярные узлы как «узлы». Благодаря этому исследованию Тейлор подтвердил существование белков с глубоким завязыванием в узлы. В 2007 году Эрик Йейтс сообщил об идентификации молекулярного «скользящего узла» – ситуации, когда молекула содержит узловые субцепи, хотя ее основная цепь в целом не завязана в узлы и не содержит полностью узловых структур, которые легко обнаруживаются с помощью вычислительных моделей. Математически «скользящие узлы» сложно анализировать, поскольку они не распознаются при изучении полной структуры. Пятилистный узел, полученный с использованием динамической ковалентной химии, был синтезирован Айме и др. в 2012 году и на тот момент являлся самым сложным не-ДНК молекулярным узлом, синтезированным на сегодняшний день. Позже, в 2016 году, был также сообщен о полностью органическом пятилистном узле, включая первое использование молекулярного узла для аллостерической регуляции катализа. В январе 2017 года группой Дэвида Ли был синтезирован узел 819, что сделало его самым сложным синтезированным молекулярным узлом. Важным развитием в теории узлов стало допущение внутрицепочечных контактов в запутанной молекулярной цепи. Топология цепей появилась как топологическая структура, формализующая расположение контактов, а также пересечения цепей в сложенной линейной цепи. В качестве дополнительного подхода Колин Адамс и др. разработали сингулярную теорию узлов, применимую к сложенным линейным цепям с внутримолекулярными взаимодействиями.
The first researcher to suggest the existence of a molecular knot in a protein was Jane Richardson in 1977, who reported that carbonic anhydrase B (CAB) exhibited apparent knotting during her survey of various proteins' topological behavior. However, the researcher generally attributed with the discovery of the first knotted protein is Marc. L. Mansfield in 1994, as he was the first to specifically investigate the occurrence of knots in proteins and confirm the existence of the trefoil knot in CAB. Knotted DNA was found first by Liu et al. in 1981, in single stranded, circular, bacterial DNA, though double stranded circular DNA has been found to also form knots. In 1989, Sauvage and coworkers reported the first synthetic knotted molecule: a trefoil synthesized via a double helix complex with the aid of Cu+ ions. Vogtle et al. was the first to describe molecular knots as knotanes in 2000. With this study, Taylor confirmed the existence of deeply knotted proteins. In 2007, Eric Yeates reported the identification of a molecular slipknot, which is when the molecule contains knotted subchains even though their backbone chain as a whole is unknotted and does not contain completely knotted structures that are easily detectable by computational models. Mathematically, slipknots are difficult to analyze because they are not recognized in the examination of the complete structure. A pentafoil knot prepared using dynamic covalent chemistry was synthesized by Ayme et al. in 2012, which at the time was the most complex non DNA molecular knot prepared to date. Later in 2016, a fully organic pentafoil knot was also reported, including the very first use of a molecular knot to allosterically regulate catalysis. In January 2017, an 819 knot was synthesized by David Leigh's group, making the 819 knot the most complex molecular knot synthesized. An important development in knot theory is allowing for intra chain contacts within an entangled molecular chain. Circuit topology has emerged as a topology framework that formalises the arrangement of contacts as well as chain crossings in a folded linear chain. As a complementary approach, Colin Adams. et al., developed a singular knot theory that is applicable to folded linear chains with intramolecular interactions.
Приложения
Многие синтетические молекулярные узлы обладают отчетливой сферической формой и размерами, позволяющими рассматривать их как потенциальные строительные блоки в нанотехнологиях.
Many synthetic molecular knots have a distinct globular shape and dimensions that make them potential building blocks in nanotechnology.