慕尼黑路德维希·马西米兰大学 由单一单体自发形成的完美单分子晶体结构主链的两个视图
信用:哈克集团 生物大分子的合成和自组织对地球上的生命至关重要
慕尼黑路德维希·马西米兰大学的化学家们现在报道了实验室中自发出现的低对称度的复杂环状大分子
单体是由多个重复的亚单元组成的分子，这些亚单元的化学结构可能不同也可能不同，它们被归类为大分子或聚合物
例子存在于自然界，包括蛋白质和核酸，它们是所有生物系统的核心
蛋白质不仅构成细胞结构元素的基础，还充当酶的角色——基本上催化生命系统中发生的所有化学转化
相比之下，核酸如脱氧核糖核酸和核糖核酸则是信息大分子
脱氧核糖核酸储存细胞的遗传信息，这些信息被选择性地复制到核糖核酸分子中，为蛋白质的合成提供蓝图
此外，由糖单位组成的长链以糖原的形式提供能量储备，储存在肝脏和肌肉中
这些不同种类的聚合分子都有一个共同的特征:它们自发地折叠成特有的空间构象，例如著名的脱氧核糖核酸双螺旋，在大多数情况下，这对它们的生化功能至关重要
伊万·哈克教授(LMU药学部)研究自组织过程的各个方面，这种过程使大分子能够采用确定的折叠形状
自然界中发现的分子结构为他提供了模型，他试图在实验室中用非蛋白质、核酸或糖样的非天然分子来复制这些模型的特性
更具体地说，他使用合成化学的工具来阐明自组织的基本原理——通过构建明确设计为折叠成预定形状的分子
从他的团队开发的单体开始，他开始生产他所谓的“折叠体”，通过一个接一个地组装单体来产生折叠的大分子
低对称度的结构 Huc报道，“获得蛋白质复杂结构的正常方法是使用不同类型的单体，称为氨基酸。”
“按照正确的顺序连接不同氨基酸的正常方法是将它们一个接一个地连接起来
氨基酸序列包含折叠信息，允许不同的蛋白质序列以不同的方式折叠
“但是我们发现了一些意想不到的壮观的景象，”哈克说
他和他在慕尼黑、格罗宁根、波尔多和柏林的同事使用有机含硫单体自发地得到复杂形状的环状大分子，正如它们的低对称度所表明的那样，不需要特定的序列
大分子是自行合成的——不需要进一步的条件
“我们只在烧瓶中放入一种单体，然后等待，”哈克说
“这是典型的聚合反应，但是由单一单体形成的聚合物通常不会采用复杂的形状，也不会在精确的链长上停止生长
" 为了进一步控制反应，科学家们还使用了小客体分子或金属离子
调节剂结合在生长的大分子中，使单体围绕它排列
通过选择具有适当特征的调节剂，新研究的作者能够产生具有预定数量亚基的结构
环状大分子表现出低水平的对称性
有些由13、17或23个亚单位组成
由于13、17和23是素数，相应的折叠形状呈现低对称度
生物和工业过程的模型 对阐明这种机制的兴趣不限于基础研究领域
Huc和他的同事们希望他们的方法将导致设计塑料的制造
传统的聚合物通常由长度不同的分子混合物组成(即
e
它们包含的单体数量)
这种异质性对它们的物理性质有影响
因此，合成精确长度和/或几何形状的聚合物链的能力有望导致具有新颖和有趣行为的材料
此外，像现在已经合成的折叠体显示出与生物聚合物非常相似的结构
因此，它们提供了一个研究蛋白质性质的理想模型系统
每种蛋白质都是由一个确定的线性(即
e
无分支)氨基酸序列，这构成了它的“一级结构”
“但是大多数氨基酸链折叠成局部的亚结构，例如螺旋盘绕的拉伸，或者可以形成薄片的平行链
这些单位代表蛋白质的二级结构
术语“三级结构”适用于完全折叠的单链
这又可以与其他链相互作用，形成功能单元或四级结构
Huc的最终目标是使用结构明确的合成前体来模拟复杂的生物机制
例如，他想了解酶在细胞中合成后是如何折叠成正确的生物活性构象的
分子的性质可以在实验室中被精确控制，这提供了理想的模型来解决问题，或许还能超越酶本身
这项研究发表在《自然化学》杂志上
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