Makromolekulyar hujayralar

Makromolekulyar hujayralarda molekulyar ramka bilan oʻralgan uch oʻlchovli kameralar mavjud. Makromolekulyar qafas arxitekturalari 1 dan 50 gacha boʻlgan turli oʻlchamlarda boʻladi nm va turli topologiyalar va funktsiyalarga ega.^[1] Ular kovalent bogʻlanish yoki kovalent boʻlmagan oʻzaro taʼsirlar orqali oʻz-oʻzini yigʻish orqali sintezlanishi mumkin. Oʻz-oʻzini yigʻish natijasida hosil boʻlgan koʻpchilik makromolekulyar katakchalar pH, harorat va erituvchi qutbliligiga sezgir.^[1]

Koʻp yuzli metal oragnik

MOP sintezi

Metall organik poliedralar (MOP) oʻziga xos muvofiqlashtirish natijasida hosil boʻlgan va odatda kimyoviy va termal jihatdan barqaror boʻlgan oʻz-oʻzidan yigʻilgan makromolekulyar qafasning oʻziga xos turini oʻz ichiga oladi. MOPlar yopiq boʻshliqqa ega boʻlgan qafasga oʻxshash ramkalarga ega. MOPlarni yuqori nosimmetrik arxitekturaga aylantirish uchun metall ionlari va organik iskalalarning diskret oʻz-oʻzini yigʻishi modulli jarayon boʻlib, turli xil ilovalarga ega. Yuqori simmetriyaga olib keladigan turli boʻlinmalarning oʻz-oʻzidan yigʻilishi biologik tizimlarda keng tarqalgan hodisadir. Bunga oʻziga xos misollar ferritin, kapsid va tamaki mozaikasi virusi boʻlib, ular oqsil boʻlinmalarining koʻp burchakli simmetriyaga oʻz-oʻzidan yigʻilishi natijasida hosil boʻladi. Metall ionlari va organik bogʻlovchilar bilan hosil boʻlgan biologik boʻlmagan polihedralar metallga asoslangan makromolekulyar katakchalar boʻlib, ular kichik molekulalarning oʻtishi va oʻtishiga imkon beruvchi bir nechta teshiklari yoki teshiklari boʻlgan nanokavazalarga ega.^[1] MOPlar turli xil mezbon-mehmon oʻzaro taʼsirlari (masalan, elektrostatik oʻzaro taʼsirlar, vodorod bogʻlanishi va sterik oʻzaro taʼsirlar) orqali bir qancha mehmonlarni qamrab olish uchun ishlatilgan.^[1] MOPlar biomedikal va biokimyoviy ilovalar uchun potentsialga ega biomimetik materiallardir. Qafas samarali ishlashi va biomedikal ahamiyatga ega boʻlishi uchun u kimyoviy jihatdan barqaror, biologik mos boʻlishi va suvli muhitda mexanik ishlashi kerak. Umuman olganda, makromolekulyar kataklardan turli xil ilovalar uchun foydalanish mumkin (masalan, nanokapsulyatsiya, biosensing, dori vositalarini etkazib berish, nanozarrachalar sintezini tartibga solish va kataliz).

Qafas shaklidagi polimerlar

Oʻz-oʻzini yigʻishdan farqli oʻlaroq, kovalent bogʻlanish orqali sintetik ravishda hosil boʻlgan makromolekulyar kataklarning bir sinfi ham mavjud. Kovalent bogʻlanishni shakllantirish strategiyasi orqali qafas molekulalari sozlanishi funksionallik va tartibga solinadigan boʻshliq hajmi bilan metodik ravishda sintezlanishi mumkin. Qafas shaklidagi polimerlar kriptond kabi molekulyar kataklarning makromolekulyar analoglaridir. Ushbu turdagi katak molekulasi polimerizatsiya darajasiga qarab sozlanishi mumkin. Odatda polimer asosidagi makromolekulyar kataklarni yaratish uchun ishlatiladigan polimerlar yulduz shaklidagi polimerlar yoki chiziqli boʻlmagan polimer prekursorlari bilan tayyorlanadi. Polimerik makromolekulyar katakning molekulyar hajmi yulduz shaklidagi polimer yoki tarvaqaylab ketgan polimerning molekulyar ogʻirligi bilan boshqariladi. Chiziqli boʻlmagan polimerlardan tayyorlangan makromolekulyar katakchalar molekulyar tanib olish, tashqi ogohlantirishlarga javob berish va yuqori tartibli tuzilmalarga oʻz-oʻzini yigʻish uchun moʻljallangan.

Fullerenlar

Fullerenlar birinchi marta 1985 yilda kashf etilgan uglerod allotroplari sinfidir va shuningdek, makromolekulyar kataklarning namunasidir. Bukminsterfulleren (C ₆₀) va bu molekulaning 60 ta atomi qafasga oʻxshash tuzilishga joylashtirilgan va ramka futbol toʻpiga oʻxshaydi; molekula ikosahedral simmetriyaga ega. C ₆₀ makromolekulyar qafas tuzilishi tufayli koʻp qirrali ilovalarga ega; Masalan, u suvni tozalash, kataliz, biofarmatsevtika uchun ishlatilishi mumkin, MRI uchun radionuklidlarning tashuvchisi boʻlib xizmat qiladi va dori vositalarini etkazib berish.^[2]

Biologiyada makromolekulyar qafas arxitekturasi

RNK ekzosomasi – bu RNK molekulalarining parchalanishini katalizlovchi nukleaza faolligiga ega boʻlgan biomolekulyar qafas. Yuqorida spiral oqsil ramkaga ega boʻlgan butun RNK ekzosomasi va RNK parchalanishi sodir boʻladigan markaziy kamera koʻrsatilgan.

Tamaki mozaikasi virusining oqsil qoplami tasvirlangan; kapsidlar deb nomlanuvchi virus oqsili qoplamalari tabiatdagi makromolekulyar hujayralarga misol boʻla oladi. Protein qobigʻi virusli genomik maʼlumotni oʻz ichiga olgan ichi boʻsh kamerani oʻz ichiga oladi.

Ferritin tashqi diametri 12 nm ga yaqin va ichki diametri 7-8 nm boʻlgan ichi boʻsh shar. Ferritinning ichki kamerasi temirni temir holatida oʻzlashtiradi yoki bogʻlaydi va temirni temir yoki uch valentli holatda saqlaydi.

Biologik tizimlarda oqsil kataklari deb nomlanuvchi yuqori nosimmetrik makromolekulyar qafas motiflarining koʻplab misollari mavjud. Protein qafasi atamasi oqsil boʻlinmalarining ichi boʻsh makromolekulyar nanozarrachalarga oʻz-oʻzidan yigʻilishi natijasida hosil boʻlgan turli xil protein tuzilmalarini belgilaydi.^[3] Ushbu protein qafaslari oʻzlarining tuzilishida bir yoki bir nechta boʻshliqlarga ega boʻlgan nanopartikullardir. Boʻshliqning oʻlchami boʻshliqni oʻrab olishi mumkin boʻlgan zarracha hajmiga yordam beradi, masalan, noorganik nanozarralar, nuklein kislotalar va hatto boshqa oqsillar. Protein qafasining ichki qismiga yoki kamera qismiga odatda oqsil boʻlinmalari orasida joylashgan teshik orqali kirish mumkin. RNK ekzosomasi 3' RNK degradatsiyasi sodir boʻladigan boʻshliqda mavjud boʻlgan nukleaza faol joylarga ega; bu boʻshliqqa kirish gʻovak tomonidan nazorat qilinadi va bu nazoratsiz RNK parchalanishining oldini olishga xizmat qiladi. Baʼzi oqsil kataklari tashqi ogohlantirishlarga javoban yigʻiladigan va qismlarga ajratiladigan dinamik tuzilmalardir. Protein kataklarining boshqa misollari – klatrin qafaslari, virusli konvertlar, chaperoninlar va temir saqlovchi protein ferritin.

Makromolekulyar kataklarni shakllantirish uchun sintetik strategiyalar

Polimer makromolekulyar kataklarni hosil qilish uchun turli usullar qoʻllanadi. Sintetik usullardan biri birinchi bosqichda halqani ochish va koʻp marta bosish kimyosidan foydalanib, trefoil va quatrefoil shaklidagi polimerlarni hosil qiladi, keyinchalik ular gidrogenoliz yordamida topologik ravishda kataklarga aylantirilishi mumkin. Ushbu sintezning tashabbuskori azido va gidroksi-funksionallashgan p -ksilen, monomer esa butilen oksididir.^[4] Butilen oksidining halqani ochish polimerizatsiyasi va bir vaqtning oʻzida bosish siklizatsiyalari tashabbuskor bilan t -Bu-P ₄ tomonidan katalizlanadi. Ushbu sintetik strategiya qafas shaklidagi polibutilen oksidlarini hosil qilish uchun ishlatilgan; qafas shaklidagi blokli sopolimerlar ham xuddi shunday usul yordamida hosil qilinadi.^[4] Sintetik strategiyalardan biri atom transferi radikal polimerizatsiyasi va sakkizinchi raqam va qafas shaklidagi polistirol hosil qilish uchun kimyo usullaridan foydalanadi; bu holda prekursor chiziqli boʻlmagan polistiroldir.^[5] Boshqa sintetik strategiya yulduz polimerining molekulyar halqani ochuvchi metateza oligomerizatsiyasidan foydalanadi va bu reaksiya usuli suyultirilgan Grubbning uchinchi avlod katalizatori tomonidan katalizlanadi.^[6]

Kovalent organik ramkalar (COFs) ham qafas arxitekturasini shakllantirish uchun ishlatilgan va shunga oʻxshash bir misolda makromolekulyar qafas molekulasini shakllantirish uchun Shiff bazasi siklizatsiyasi ishlatilgan.^[7] Bu sintezda 1,3,5-triformilbenzol va (R,R)-(1,2)-difeniletilendiamin katalizator sifatida trifloroatsetik kislota bilan diklorometanda sikloiminatsiyaga uchraydi va COF katak molekulasini hosil qiladi. Makrosikllanishlar peptoid asosidagi makromolekulyar kataklarni hosil qilish uchun ham qoʻllanilgan, oʻziga xos metodologiya ikki va uch marta Ugi tipidagi makrosikllanish reaktsiyalaridan foydalangan holda steroid-aril gibrid kataklarni hosil qilish uchun bitta qozonli sintezdan foydalanadi.^[8]

Biomolekulalardan yaratilgan genetik jihatdan yaratilgan makromolekulyar katakchalar

Makromolekulyar kataklarni biomolekulalar yordamida sintetik usulda ham hosil qilish mumkin. Protein qafaslari genetik jihatdan ishlab chiqilishi mumkin va qafasning tashqi tomoni protein-polimer konjugasiyasi deb ataladigan sintetik polimerlar bilan moslashtirilishi mumkin. Oldindan tuzilgan polimer zanjirlari kimyoviy bogʻlovchilar yordamida oqsil yuzasiga biriktirilishi mumkin. Polimerlanish oqsil yuzasidan ham sodir boʻlishi mumkin va polimer elektrostatik oʻzaro taʼsirlar orqali oqsil kataklari yuzasiga ham bogʻlanishi mumkin. Ushbu modifikatsiyaning maqsadi sintetik protein kataklarini koʻproq bio -uyumli qilishdir; bu post sintetik modifikasyon protein qafas bir immun javob uchun kamroq sezgir qiladi va proteazların degradatsiyadan qafas barqarorlashtiradi. Virusga oʻxshash oqsil (VLP) kataklari ham sintez qilingan va virusga oʻxshash boʻlmagan oqsillarni hosil qilish uchun rekombinant DNK texnologiyasidan foydalanilgan. Mahalliy boʻlmagan VLP konstruktsiyalarining kapsidga oʻxshash tuzilishga aylanishining birinchi xabar qilingan holati yadrolanish uchun funktsionallashtirilgan oltin yadrodan foydalangan.^[9] VLP ning oʻz-oʻzini yigʻishi mahalliy virusning nuklein kislotasi komponenti bilan oʻzaro taʼsiriga oʻxshash funktsionallashtirilgan oltin nanozarrachalarining elektrostatik oʻzaro taʼsiridan boshlangan. Ushbu virusli oqsil qafaslari biosensing va tibbiy tasvirlashda potentsial ilovalarga ega.^[9] DNK origami – makromolekulyar kataklarni yoki konteynerlarni shakllantirishning yana bir strategiyasi. Bir holatda, 2D origamidagi sintetik strategiya asosida ikosahedral simmetriyaga ega (virusli kapsidlarga oʻxshash) 3D makromolekulyar qafas shakllangan.^[10] Strukturaning ichki hajmi yoki piramidaga oʻxshash uchburchak yuzlar bilan oʻralgan ichi boʻsh boʻshliq bor edi. Bu yaqin qafas oqsillar va metall nanozarrachalar kabi boshqa materiallarni potentsial ravishda qamrab olish uchun moʻljallangan.^[10]

Manbaalar

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Ahmad, Nazir; Younus, Hossein A.; Chughtai, Adeel H.; Verport, Francis (2015). „Metal-organic molecular cages: applications of biochemical implications“. Chemical Society Reviews. 44-jild, № 1. 9–25-bet. doi:10.1039/C4CS00222A. PMID 25319756.
↑ Bolskar, Robert D. „Fullerenes for Drug Delivery“, . Encyclopedia of Nanotechnology. SpringerLink, 2016 — 23-bet. DOI:10.1007/978-94-017-9780-1_76. ISBN 978-94-017-9779-5.
↑ Rother, Martin; Nussbaumer, Martin G.; Renngli, Kasper; Bruns, Nico (2016). „Protein cages and synthetic polymers: a fruitful symbiosis, for drug delivery applications, bionanotechnology, and materials science“. Chemical Society Reviews. 45-jild, № 22. 6213–6249-bet. doi:10.1039/C6CS00177G. PMID 27426103.
↑ ^4,0 ^4,1 Satoh, Yusuke; Matsuno, Hirohiko; Yamamato, Takuya; Tajima, Kenji; Isono, Takuya; Satoh, Toshifumi (2017). „Synthesis of Well-Defined Three- and Four-Armed Cage-Shaped Polymers via "Topological Conversion" from Trefoil- and Quatrefoil-Shaped Polymers“. Macromolecules. 50-jild, № 1. 97–106-bet. Bibcode:2017MaMol..50...97S. doi:10.1021/acs.macromol.6b02316.
↑ Lee, Taeheon; Oh, Joongsuk; Jeong, Jonghwa; Jung, Haeji; Huh, June; Chang, Taihyun; Paik, Hyun-jong (2016-05-24). „Figure-Eight-Shaped and Cage-Shaped Cyclic Polystyrenes“. Macromolecules. 49-jild, № 10. 3672–3680-bet. Bibcode:2016MaMol..49.3672L. doi:10.1021/acs.macromol.6b00093. ISSN 0024-9297.
↑ Mato, Yoshinobu; Honda, Kohei; Tajima, Kenji; Yamamato, Takuya; Isono, Takuya; Satoh, Toshifumi (2019). „A versatile synthetic strategy for macromolecular cages: intramolecular consecutive cyclization of star-shaped polymers“. Chemical Science. 10-jild, № 2. 440–446-bet. doi:10.1039/C8SC04006K. PMC 6335864. PMID 30746091.
↑ Bojdys, Michael J.; Briggs, Michael E.; Jones, James T. A.; Adams, Dave J.; Chong, Samantha Y.; Schmidtmann, Marc; Cooper, Andrew I. (2011-10-19). „Supramolecular Engineering of Intrinsic and Extrinsic Porosity in Covalent Organic Cages“. Journal of the American Chemical Society. 133-jild, № 41. 16566–16571-bet. doi:10.1021/ja2056374. ISSN 0002-7863. PMID 21899280.
↑ Rivera, Daniel G.; Wessjohann, Ludger A. (June 2006). „Supramolecular Compounds from Multiple Ugi Multicomponent Macrocyclizations: Peptoid-based Cryptands, Cages, and Cryptophanes“. Journal of the American Chemical Society. 128-jild, № 22. 7122–7123-bet. doi:10.1021/ja060720r. ISSN 0002-7863. PMID 16734440.
↑ ^9,0 ^9,1 Chen, Chao; Daniel, Marie-Christine; Quinkert, Zachary T.; De, Mrinmoy; Stein, Barry; Bowman, Valorie D.; Chipman, Paul R.; Rotello, Vincent M.; Kao, C. Cheng (April 2006). „Nanoparticle-Templated Assembly of Viral Protein Cages“. Nano Letters. 6-jild, № 4. 611–615-bet. Bibcode:2006NanoL...6..611C. doi:10.1021/nl0600878. ISSN 1530-6984. PMID 16608253.
↑ ^10,0 ^10,1 Ke, Yonggang; Sharma, Jaswinder; Liu, Minghui; Jahn, Kasper; Liu, Yan; Yan, Hao (2009-06-10). „Scaffolded DNA Origami of a DNA Tetrahedron Molecular Container“. Nano Letters. 9-jild, № 6. 2445–2447-bet. Bibcode:2009NanoL...9.2445K. doi:10.1021/nl901165f. ISSN 1530-6984. PMID 19419184.

[:1-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Ahmad, Nazir; Younus, Hossein A.; Chughtai, Adeel H.; Verport, Francis (2015). „Metal-organic molecular cages: applications of biochemical implications“. Chemical Society Reviews. 44-jild, № 1. 9–25-bet. doi:10.1039/C4CS00222A. PMID 25319756.

[Encyclopedia_of_Nanotechnology-2] Bolskar, Robert D. „Fullerenes for Drug Delivery“, . Encyclopedia of Nanotechnology. SpringerLink, 2016 — 23-bet. DOI:10.1007/978-94-017-9780-1_76. ISBN 978-94-017-9779-5.

[:4-3] Rother, Martin; Nussbaumer, Martin G.; Renngli, Kasper; Bruns, Nico (2016). „Protein cages and synthetic polymers: a fruitful symbiosis, for drug delivery applications, bionanotechnology, and materials science“. Chemical Society Reviews. 45-jild, № 22. 6213–6249-bet. doi:10.1039/C6CS00177G. PMID 27426103.

[:2-4] 4,0 ^4,1 Satoh, Yusuke; Matsuno, Hirohiko; Yamamato, Takuya; Tajima, Kenji; Isono, Takuya; Satoh, Toshifumi (2017). „Synthesis of Well-Defined Three- and Four-Armed Cage-Shaped Polymers via "Topological Conversion" from Trefoil- and Quatrefoil-Shaped Polymers“. Macromolecules. 50-jild, № 1. 97–106-bet. Bibcode:2017MaMol..50...97S. doi:10.1021/acs.macromol.6b02316.

[:5-5] Lee, Taeheon; Oh, Joongsuk; Jeong, Jonghwa; Jung, Haeji; Huh, June; Chang, Taihyun; Paik, Hyun-jong (2016-05-24). „Figure-Eight-Shaped and Cage-Shaped Cyclic Polystyrenes“. Macromolecules. 49-jild, № 10. 3672–3680-bet. Bibcode:2016MaMol..49.3672L. doi:10.1021/acs.macromol.6b00093. ISSN 0024-9297.

[:0-6] Mato, Yoshinobu; Honda, Kohei; Tajima, Kenji; Yamamato, Takuya; Isono, Takuya; Satoh, Toshifumi (2019). „A versatile synthetic strategy for macromolecular cages: intramolecular consecutive cyclization of star-shaped polymers“. Chemical Science. 10-jild, № 2. 440–446-bet. doi:10.1039/C8SC04006K. PMC 6335864. PMID 30746091.

[7] Bojdys, Michael J.; Briggs, Michael E.; Jones, James T. A.; Adams, Dave J.; Chong, Samantha Y.; Schmidtmann, Marc; Cooper, Andrew I. (2011-10-19). „Supramolecular Engineering of Intrinsic and Extrinsic Porosity in Covalent Organic Cages“. Journal of the American Chemical Society. 133-jild, № 41. 16566–16571-bet. doi:10.1021/ja2056374. ISSN 0002-7863. PMID 21899280.

[8] Rivera, Daniel G.; Wessjohann, Ludger A. (June 2006). „Supramolecular Compounds from Multiple Ugi Multicomponent Macrocyclizations: Peptoid-based Cryptands, Cages, and Cryptophanes“. Journal of the American Chemical Society. 128-jild, № 22. 7122–7123-bet. doi:10.1021/ja060720r. ISSN 0002-7863. PMID 16734440.

[:7-9] 9,0 ^9,1 Chen, Chao; Daniel, Marie-Christine; Quinkert, Zachary T.; De, Mrinmoy; Stein, Barry; Bowman, Valorie D.; Chipman, Paul R.; Rotello, Vincent M.; Kao, C. Cheng (April 2006). „Nanoparticle-Templated Assembly of Viral Protein Cages“. Nano Letters. 6-jild, № 4. 611–615-bet. Bibcode:2006NanoL...6..611C. doi:10.1021/nl0600878. ISSN 1530-6984. PMID 16608253.

[:8-10] 10,0 ^10,1 Ke, Yonggang; Sharma, Jaswinder; Liu, Minghui; Jahn, Kasper; Liu, Yan; Yan, Hao (2009-06-10). „Scaffolded DNA Origami of a DNA Tetrahedron Molecular Container“. Nano Letters. 9-jild, № 6. 2445–2447-bet. Bibcode:2009NanoL...9.2445K. doi:10.1021/nl901165f. ISSN 1530-6984. PMID 19419184.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]