胶原蛋白的弱键如何帮助保护组织

物体延长寿命的一种更不寻常的方式是牺牲自身的一部分：从用于欺骗盗墓者的虚拟墓室，到电路中熔断的保险丝以保护电器，再到折断蜥蜴的尾巴以使其逃脱。牺牲部分也可以在胶原蛋白中找到，胶原蛋白是我们体内最丰富的蛋白质。海德堡理论研究所 (HITS)的科学家们揭示了胶原组织内弱牺牲键的断裂如何有助于局部化过度用力造成的损伤，最大限度地减少对更广泛组织的负面影响，并促进恢复。发表在《自然通讯》上，这项工作揭示了胶原蛋白的破裂机制，这对于理解组织降解、材料老化和潜在地推进组织工程技术至关重要。

“胶原蛋白卓越的交联化学似乎非常适合处理机械应力，” HITS 该项研究的负责人Frauke Gräter说道。“通过使用互补的计算和实验技术来研究大鼠组织中的胶原蛋白，我们的研究结果表明，胶原蛋白交联内的弱键很容易在其他键(例如胶原蛋白主链中的键)之前断裂。这是一种保护机制，可以限制由断裂引起的自由基的有害化学和物理效应，并可能支持分子恢复过程。”

胶原蛋白约占人体所有蛋白质的 30%。它为骨骼提供强度，为皮肤提供弹性，为器官提供保护，为肌腱提供灵活性，帮助血液凝固，并支持新细胞的生长。从结构上讲，胶原蛋白类似于三股螺旋：三条氨基酸链交织在一起，形成坚固而坚硬的主链。每根胶原纤维包含数千个交错的单个分子，并通过交联相互结合，有助于胶原蛋白的机械稳定性。人们认为胶原蛋白交联很容易断裂，但人们对键断裂的具体部位或断裂发生的原因知之甚少。

HITS 分子生物力学小组的科学家们旨在通过跨多个生物尺度和不同机械力的胶原蛋白的计算机模拟来解开这些谜题。他们通过在大鼠尾部、屈肌和跟腱上进行的凝胶电泳和质谱实验验证了他们的发现。通过对胶原蛋白进行严格测试，该团队能够确定特定的断裂点。他们观察了力如何通过组织复杂的层次结构消散，以及其化学键如何承受负载。

胶原蛋白中成熟的交联由两条臂组成：其​​中一条臂比胶原组织中的其他键弱。当受到过大的力时，较弱的手臂通常首先破裂，从而消散力并局部化有害影响。科学家发现，在存在弱键的胶原组织区域中，交联和胶原骨架中的其他键更有可能保持完整，从而保持胶原组织的结构完整性。

HITS科学家之前领导的研究表明，胶原蛋白过度的机械应力会导致自由基的产生，进而导致体内损伤和氧化应激。“我们的最新研究表明，胶原蛋白中的牺牲键在维持材料的整体完整性方面发挥着至关重要的作用，有助于局部化机械应力的影响，否则可能会对组织造成灾难性后果”，该研究的第一作者 Benedikt Rennekamp 解释道。作者。“由于胶原蛋白是我们体内组织的主要替代品，通过发现和了解这些破裂部位，研究人员可以获得对胶原蛋白力学的宝贵见解，并有可能开发出增强其弹性和减轻损伤的策略。”