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 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 M?bius 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 M?bius 分子 Protein Catenanes and Knots Qiu Wenyuan , Zhai Xindong (Department of Chemistry , Lanzhou University , Lanzhou 730000 ,China) Abstract It is a brand2new subject to find and to synthesize topological novel proteins. This paper introduces novel structures and experimental facts of novel proteins that are M?bius molecules and topologically linked protein cat2 enanes arranged with icosahedral symmetry. Key words Protein , Knot , Catenane , M?bius molecule 1982 年 ,Walba 等1 合成了第一个 M?bius 带分子 ,并在 1985 年发表了“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 M?bius 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 等合成了 DNA 纽结8 和 DNA 链环9 。现在人们已经认识到 :M?bius 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 (p seudoknots) 和假环 (p seudolinks) ,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 2002204224 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 ( rhe2 sus theta defensin21) ,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