Nudo molecular - Molecular knot

En química , un nudo molecular es una arquitectura molecular entrelazada mecánicamente que es análoga a un nudo macroscópico . Los nudos moleculares que se forman naturalmente se encuentran en moléculas orgánicas como ADN , ARN y proteínas . No es seguro que los nudos de origen natural sean evolutivamente ventajosos para los ácidos nucleicos o las proteínas, aunque se cree que el anudado juega un papel en la estructura, estabilidad y función de las moléculas biológicas anudadas. El mecanismo por el cual los nudos se forman naturalmente en las moléculas, y el mecanismo por el cual una molécula se estabiliza o mejora mediante el anudado, es ambiguo. El estudio de los nudos moleculares implica la formación y aplicaciones de nudos moleculares tanto naturales como sintetizados químicamente . La aplicación de la topología química y la teoría de los nudos a los nudos moleculares permite a los biólogos comprender mejor las estructuras y la síntesis de las moléculas orgánicas anudadas.

El término knotano fue acuñado por Vögtle et al. en 2000 para describir los nudos moleculares por analogía con los rotaxanos y catenanos , que son otras arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente. El término no ha sido adoptado ampliamente por los químicos y no ha sido adoptado por la IUPAC .

Estructura cristalina de un nudo de trébol molecular con dos iones de plantilla de cobre (I) unidos dentro de él informado por Jean Pierre Sauvage y colaboradores
Estructura cristalina de un nudo de trébol molecular informado por Vögtle y colaboradores en el Angew. Chem. En t. Ed. , 2000, 1616-1618.

Nudos moleculares de origen natural

Las moléculas orgánicas que contienen nudos pueden caer en las categorías de nudos corredizos o pseudo-nudos. No se consideran nudos matemáticos porque no son una curva cerrada, sino un nudo que existe dentro de una cadena lineal, con extremos en cada extremo. Se cree que las proteínas anudadas forman nudos moleculares durante el proceso de plegado de su estructura terciaria, y los ácidos nucleicos anudados generalmente forman nudos moleculares durante la replicación y transcripción genómica, aunque los detalles del mecanismo de anudado continúan siendo discutidos y ambiguos. Las simulaciones moleculares son fundamentales para la investigación de los mecanismos de anudado molecular.

El ADN anudado fue encontrado primero por Liu et al. en 1981, en ADN bacteriano circular monocatenario, aunque se ha descubierto que el ADN circular bicatenario también forma nudos. Aún no se ha informado de ARN anudado naturalmente.

Se han identificado varias proteínas que contienen nudos moleculares naturales. Los tipos de nudos que se encuentran de forma natural en las proteínas son los nudos y , como se identifica en la base de datos KnotProt de proteínas anudadas conocidas.

Nudos moleculares sintetizados químicamente

Se han informado varios nudos moleculares sintéticos. Los tipos de nudos que se han sintetizado con éxito en moléculas son 8 19 nudos. Aunque se ha descubierto que los nudos y ocurren naturalmente en moléculas anudadas, no se han sintetizado con éxito. Los nudos compuestos de moléculas pequeñas tampoco se han sintetizado todavía.

Se han sintetizado con éxito ADN, ARN y nudos de proteínas artificiales. El ADN es un modelo particularmente útil de síntesis de nudos sintéticos, ya que la estructura forma naturalmente estructuras entrelazadas y puede manipularse fácilmente para formar nudos y controlar con precisión el deshilachado necesario para formar nudos. Los nudos moleculares a menudo se sintetizan con la ayuda de ligandos de iones metálicos cruciales.

Historia

La primera investigadora que sugirió la existencia de un nudo molecular en una proteína fue Jane Richardson en 1977, quien informó que la anhidrasa carbónica B (CAB) exhibía un aparente nudo durante su estudio del comportamiento topológico de varias proteínas. Sin embargo, el investigador al que generalmente se atribuye el descubrimiento de la primera proteína anudada es Marc. L. Mansfield en 1994, ya que fue el primero en investigar específicamente la aparición de nudos en proteínas y confirmar la existencia del nudo de trébol en CAB. El ADN anudado fue encontrado primero por Liu et al. en 1981, en ADN bacteriano circular monocatenario, aunque se ha descubierto que el ADN circular bicatenario también forma nudos.

En 1989, Sauvage y colaboradores informaron sobre la primera molécula anudada sintética: un trébol sintetizado a través de un complejo de doble hélice con la ayuda de iones Cu +.

Vogtle y col. fue el primero en describir nudos moleculares como knotanes en 2000. También en 2000 fue la creación de un método de cálculo alternativa de William Taylor para analizar anudamiento proteína que fija los extremos en un punto fijo lo suficientemente lejos de la componente de nudos de la molécula que el tipo de nudo podría estar bien definido. En este estudio, Taylor descubrió un nudo profundo en una proteína. Con este estudio, Taylor confirmó la existencia de proteínas profundamente anudadas.

En 2007, Eric Yeates informó sobre la identificación de un nudo corredizo molecular, que es cuando la molécula contiene subcadenas anudadas a pesar de que su cadena principal en su conjunto no está anudada y no contiene estructuras completamente anudadas que sean fácilmente detectables por modelos computacionales. Matemáticamente, los nudos corredizos son difíciles de analizar porque no se reconocen en el examen de la estructura completa.

Un nudo pentafoil preparado usando química covalente dinámica fue sintetizado por Ayme et al. en 2012, que en ese momento era el nudo molecular sin ADN más complejo preparado hasta la fecha. Más tarde, en 2016, también se informó sobre un nudo pentafoil completamente orgánico, incluido el primer uso de un nudo molecular para regular la catálisis alostérica. En enero de 2017, el grupo de David Leigh sintetizó un nudo 8 19 , lo que convirtió al nudo 8 19 en el nudo molecular más complejo sintetizado.

Un desarrollo importante en la teoría de los nudos es permitir contactos intracadena dentro de una cadena molecular entrelazada. La topología de circuitos ha surgido recientemente como un marco de topología que formaliza la disposición de los contactos y los cruces de cadena en una cadena lineal plegada. Como enfoque complementario, Colin Adams. et al., desarrollaron una teoría de nudos singular que es aplicable a cadenas lineales plegadas con interacciones intramoleculares.

Aplicaciones

Muchos nudos moleculares sintéticos tienen una forma y dimensiones globulares distintas que los convierten en bloques de construcción potenciales en nanotecnología .

Ver también

Referencias