Nudo molecular
Molécula cuya estructura se asemeja a un nudo.

En química , un nudo molecular es una arquitectura molecular entrelazada mecánicamente que es análoga a un nudo macroscópico . [1] Los nudos moleculares que se forman naturalmente se encuentran en moléculas orgánicas como ADN , ARN y proteínas . No es seguro que los nudos naturales 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. [2] 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 al anudarse, es ambiguo. [3] El estudio de los nudos moleculares involucra la formación y aplicaciones de nudos moleculares tanto naturales como sintetizados químicamente . La aplicación de la topología química y la teoría de nudos a los nudos moleculares permite a los biólogos comprender mejor las estructuras y la síntesis de moléculas orgánicas anudadas. [1]

El término knotane fue acuñado por Vögtle et al. en 2000 para describir nudos moleculares por analogía con rotaxanos y catenanos , que son otras arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente. [1] [4] El término no ha sido ampliamente adoptado por los químicos y no ha sido adoptado por la IUPAC .

Estructura cristalina de un nudo de trébol molecular con dos iones de cobre (I) unidos en su interior, según lo informado por Jean Pierre Sauvage y colaboradores [5]
Estructura cristalina de un nudo de trébol molecular descrita por Vögtle y colaboradores en Angew. Chem. Int. Ed. , 2000, 1616–1618.

Nudos moleculares que se producen de forma natural

Las moléculas orgánicas que contienen nudos pueden clasificarse en las categorías de nudos corredizos o pseudonudos. [2] No se consideran nudos matemáticos porque no son una curva cerrada, sino un nudo que existe dentro de una cadena lineal, con terminales en cada extremo. Se cree que las proteínas anudadas forman nudos moleculares durante su proceso de plegamiento de la estructura terciaria, y los ácidos nucleicos anudados generalmente forman nudos moleculares durante la replicación y transcripción genómica, [6] aunque los detalles del mecanismo de anudado continúan siendo controvertidos y ambiguos. Las simulaciones moleculares son fundamentales para la investigación sobre los mecanismos de anudado molecular.

El ADN anudado fue descubierto por primera vez 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 la existencia de ARN anudado de forma natural. [7]

Se han identificado varias proteínas que contienen nudos moleculares naturales. Los tipos de nudos que se han encontrado en las proteínas de forma natural son los nudos y , como se identifica en la base de datos KnotProt de proteínas anudadas conocidas. [8] + 3 1 , − 3 1 , 4 1 , − 5 2 , {\ Displaystyle +3_ {1}, -3_ {1},4_ {1},-5_ {2},} + 6 1 {\estilo de visualización +6_{1}}

Nudos moleculares sintetizados químicamente

Se han descrito varios nudos moleculares sintéticos. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

Estructura cristalina de un nudo de trébol contrahelicoidal descrita por Zhichang Liu y colaboradores en Nat. Synth. 2023 , 2 , 17–25 [15]

Los tipos de nudos que se han sintetizado con éxito en moléculas son los nudos y 8 19. Aunque se ha descubierto que los nudos y se dan de forma natural en moléculas anudadas, no se han sintetizado con éxito. Los nudos compuestos de moléculas pequeñas tampoco se han sintetizado todavía. [7] 3 1 , 4 1 , 5 1 {\ Displaystyle 3_ {1},4_ {1},5_ {1}} − 5 2 {\estilo de visualización -5_{2}} + 6 1 {\estilo de visualización +6_{1}}

Se han sintetizado con éxito nudos artificiales de ADN, ARN y proteínas. El ADN es un modelo particularmente útil para la síntesis de nudos sintéticos, ya que la estructura forma naturalmente estructuras entrelazadas y se puede manipular fácilmente para formar nudos [16] 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. [7]

NudoAñoReferencia
3 11989[17] [18]
4 12014[19] [18]
5 12012[20] [18] [21]
5 22020[22] [18] [23]
7 12020[24] [18]
7 42021[25] [26]
8 182018[27] [18]
8 192017[28] [18] [29]

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) exhibió un anudamiento aparente durante su estudio del comportamiento topológico de varias proteínas. [30] Sin embargo, el investigador generalmente atribuido con 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 por primera vez por Liu et al. en 1981, en ADN bacteriano circular de cadena sencilla, aunque se ha encontrado que el ADN circular de doble cadena también forma nudos. [31]

En 1989, Sauvage y sus 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+. [17]

Vogtle et al. fueron los primeros en describir los nudos moleculares como knotanos en el año 2000. [1] También en el año 2000, William Taylor creó un método computacional alternativo para analizar los nudos de las proteínas que fijaba los extremos en un punto fijo lo suficientemente alejado del componente anudado de la molécula como para que el tipo de nudo pudiera definirse bien. En este estudio, Taylor descubrió un nudo profundo en una proteína. [32] Con este estudio, Taylor confirmó la existencia de proteínas con nudos profundos. 4 1 {\estilo de visualización 4_{1}}

En 2007, Eric Yeates informó sobre la identificación de un nudo corredizo molecular, que es cuando la molécula contiene subcadenas anudadas aunque su cadena principal en su conjunto no está anudada y no contiene estructuras completamente anudadas que sean fácilmente detectables mediante modelos computacionales. [33] Matemáticamente, los nudos corredizos son difíciles de analizar porque no se reconocen en el examen de la estructura completa.

En 2012, Ayme et al. sintetizaron un nudo pentafolio preparado mediante química covalente dinámica, que en ese momento era el nudo molecular no basado en ADN más complejo preparado hasta la fecha. [20] Más tarde, en 2016, también se informó sobre un nudo pentafolio completamente orgánico, incluido el primer uso de un nudo molecular para regular alostéricamente la catálisis. [34] 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. [28]

Un avance importante en la teoría de nudos es la posibilidad de contactos intracadena dentro de una cadena molecular entrelazada. La topología de circuitos ha surgido como un marco topológico que formaliza la disposición de los contactos, así como los cruces de cadenas en una cadena lineal plegada. Como enfoque complementario, Colin Adams et al. desarrollaron una teoría de nudos singulares que es aplicable a cadenas lineales plegadas con interacciones intramoleculares. [35]

Aplicaciones

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

Véase también

Referencias

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