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1、蛋白质链环和纽结邱文元翟新东(兰州大学化学系兰州730000)摘要寻找和合成拓扑新颖结构的蛋白质是目前一个崭新的课题,本文介绍了已经发现的Möbius蛋白质和蛋白质链环的新奇结构及实验事实。关键词蛋白质链环纽结Möbius分子ProteinCatenanesandKnotsQiuWenyuan,ZhaiXindong(DepartmentofChemistry,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)AbstractItisabrand2newsubjecttofindandtosynthesiz
2、etopologicalnovelproteins.ThispaperintroducesnovelstructuresandexperimentalfactsofnovelproteinsthatareMöbiusmoleculesandtopologicallylinkedproteincat2enanesarrangedwithicosahedralsymmetry.KeywordsProtein,Knot,Catenane,Möbiusmolecule1982年,Walba等1合成了第一个Möbius带分子,并在1985年发
3、表了“拓扑立体化学”2的综述文章。拓扑立体化学是在立体化学范畴内,运用拓扑学知识讨论一类新颖分子诸如Möbius带、纽结等分子的拓扑性质,合成那些在三维空间中具有拓扑区别的立体异构体,并对这类异构体进行分析和表征3,4。其后“生物化学拓扑学”的研究工作也开始兴起5,从而使拓扑学进入化学和分子生物学中成为一个活跃的领域。近20年中,在生物体中发现和实验室中合成出了许多拓扑新颖的分子纽结(knot)和分子链环(link或catenane)。例如,Dietrich2Buchecker和Sauvage等6,7合成了链索烃和纽结,Seeman
4、等合成了DNA纽结8和DNA链环9。现在人们已经认识到:Möbius结构、纽结和链环是分子结构的一种新形式10,11。既然在DNA中存在纽结,那么在蛋白质中有没有纽结?Manfield12于1994年提出了这一问题。Mislow等13在1995年报道他们已发现了蛋白质纽结和链环,这些蛋白质纽结和链环是通过双硫键和辅助因素(如金属共价链)形成的。而Takusagawa等14则认为Mislow等描述的蛋白质纽结和链环是假结(pseudoknots)和假环(pseudolinks),他们发现的才是真正的蛋白质纽结。在数学上,纽结是一条自身
5、不相交的闭曲线,链环则是纽结的集合。从这个意义上讲,Mislow等发现的蛋白质纽结和链环符合数学定义,而Tskusagawa等发现的纽结仅仅是普遍意义上的线性结。令人惊奇的是,最近已经发现了一个类二十面体的蛋白质链环15,16,给蛋白质拓扑学的研究增添了一个“亮点”。可以说,寻找和合成拓扑新颖的蛋白质是我们目前面临的挑战和机遇,这是一个值得重视和需要特别鼓励的领域。邱文元男,46岁,教授,现从事生物化学拓扑学的研究,E2mail:wyqiu@lzu.edu.cn国家自然科学基金资助项目(20173023,90203012)20022
6、04224收稿,2002206213修回1拓扑平面的圆形蛋白质1999年,Tang等17在对恒河猴短尾猿白血球的分析中发现了一种大环氨基酸———RTD21(rhe2susthetadefensin21),它由18个氨基酸构成,其中6个半胱氨酸形成了3个硫2硫键(图1)。他们17,18已由实验合成出了RTD21(合成方案如图2所示),并对它的抗菌能力进行了检测。检测结果显示:RTD21具有抗菌能力,而且它的抗菌能力与其结构有关。拓扑平面的蛋白质结构在数学上称为拓扑平庸的。为了认识拓扑复杂的分子形态,对这种简单结构的了解是必要的。图1R
7、TD21的拓扑平面结构图Fig.1TopologicalplanargraphfortheRTD21图2RTD21的合成方案Fig.2SyntheticstrategyfortheRTD212拓扑新颖的Möbius蛋白质Möbius分子已经在有机化学中出现4,在生物体中寻找类似的结构也是颇有趣味的。近几年来,从植物体中分离出一类新颖蛋白质———Cyclotides19。这类蛋白质包括从茜草科(Rubiaceaefamily)植物中分离出来的KalataBl20、circulinA(CirA)和circulinB(CirB)21,22
8、、cyclopsy2chotrideA23,以及从堇菜科(Violaceaefamily)植物中分离出的不同多肽链19,22,24～26。上述分子具有相似的结构:由大约30个氨基酸构成;多肽链骨架头尾相连形成环状多肽链;内含6个半胱氨
