Language
Country/Area
No result found
От ферментов к молекулярным машинам: как супрамолекулярная химия вдохновляет будущее биотехнологий?
Супрамолекулярная химия — это область, включающая химические системы, состоящие из дискретных молекул, пространственная организация которых зависит от нековалентных взаимодействий. В отличие от традиционной химии, которая фокусируется на ковалентных связях, супрамолекулярная химия подчеркивает слабые и обратимые межмолекулярные взаимодействия. Эти силы включают водородные связи, координацию металлов, гидрофобные силы, силы Ван-дер-Ваальса и электронные электростатические эффекты. Основываясь на исследованиях в этой области, можно понять многие ключевые биологические процессы, которые зависят от этих взаимодействий для поддержания структуры и функций.
Важные концепции супрамолекулярной химии включают молекулярную самосборку, молекулярное сворачивание, молекулярное распознавание, химию хозяин-гость, механически взаимосвязанные молекулярные структуры и динамическую ковалентную химию.
Исторический обзор
Корни супрамолекулярной химии можно проследить в 1873 году, когда Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс впервые предположил существование межмолекулярных сил. Позже, в 1894 году, лауреат Нобелевской премии Герман Эмиль Фишер предложил модель взаимодействия фермент-субстрат «замок и ключ», которая стала основой молекулярного распознавания и химии «гость-хозяин». Со временем ученые постепенно улучшили свое понимание нековалентных связей, особенно в 1920-х годах, когда описание водородных связей Латимером и Родбушем еще больше продвинуло эту область.
В 1987 году трое учёных, Дональд Дж. Крам, Жан-Мари Леон и Чарльз Дж. Педерсен, получили Нобелевскую премию по химии за разработки и применение структурно-специфических взаимодействующих молекул.
Основные понятия
Молекулярная самосборка
Молекулярная самосборка — это спонтанная сборка молекул посредством нековалентных взаимодействий без внешнего руководства или управления. Это явление применимо не только к образованию супрамолекулярных комбинаций, но и связано с процессом сворачивания биологических макромолекул. Самосборка также позволяет создавать более крупные структуры, такие как микроячейки, мембраны и жидкие кристаллы, что имеет большое значение для кристаллической инженерии.
Молекулярное распознавание и комплексообразование
Молекулярное распознавание относится к специфическому связыванию молекулы гостя с комплементарной молекулой хозяина с образованием комплекса хозяин-гость. Этот процесс часто используется при разработке молекулярных сенсоров и катализаторов.
Синтез, катализируемый шаблонами
Молекулярное распознавание и самосборка могут использоваться для предварительной организации реагентов, чтобы сблизить места реакции и облегчить химические реакции, особенно когда они сталкиваются с термодинамически или кинетически маловероятными реакциями.
Механически взаимосвязанная молекулярная структура
Механически взаимосвязанные молекулярные структуры состоят из молекул, связанных друг с другом просто топологией. Генерация таких структур часто основана на нековалентных взаимодействиях, и примеры включают связанные молекулы, вращающиеся молекулы и молекулярные узлы.
Молекулярная техника относится к молекулам или молекулярным кластерам, которые могут выполнять такие функции, как линейное или вращательное движение. Эта концепция занимает важное место в супрамолекулярной химии и нанотехнологиях.
Поля приложения
Технологии материалов
Супрамолекулярная химия сыграла важную роль в разработке новых материалов, особенно благодаря процессу молекулярной самосборки — восходящему подходу к синтезу, который позволяет химикам легко создавать большие структуры.
Катализ
Разработка катализаторов — одно из основных применений супрамолекулярной химии, при этом нековалентные взаимодействия играют ключевую роль в связывании реагентов.
Медицина
Дизайн, основанный на супрамолекулярной химии, способствовал созданию функциональных биоматериалов и терапевтических агентов, включая белки, макроциклические и водородные системы на основе супрамолекулярных комбинаций. Эти материалы продемонстрировали значительный потенциал в биомедицине.
Хранение и обработка данных
На молекулярном уровне супрамолекулярная химия использовалась для демонстрации вычислительных возможностей и демонстрации компонентов с использованием химических или оптических сигналов, которые в будущем могут облегчить хранение и обработку данных.
Благодаря влиянию супрамолекулярной химии многие будущие биотехнологические применения открыли двери, способствуя разработке новых материалов и лекарств. Поскольку исследования продолжаются, может ли супрамолекулярная химия действительно изменить наш биотехнологический ландшафт?
