来源：cnBeta
2023-08-03 08:38:04
事物延长自身寿命的一个更不寻常的方法是牺牲自身的一部分： 这包括为误导盗墓者而设计的诱饵墓室、为保护其他电器而在电路中故意熔化的保险丝，或者为方便逃跑而脱落的蜥蜴尾巴。在人体中含量最高的蛋白质--胶原蛋白中，也可以看到这种牺牲元素的概念。
海德堡理论研究所（HITS）的研究人员揭示了胶原蛋白组织中薄弱牺牲键的断裂是如何帮助定位过度外力造成的损伤、最大限度地减少对更广泛组织的负面影响并促进恢复的。
(资料图)
该研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，揭示了胶原蛋白的断裂机制，这对于了解组织降解、材料老化以及潜在的组织工程技术进步至关重要。
研究人员发现，胶原蛋白含有在压力下断裂的弱键，可以保护组织的其他部分。这一发现有助于深入了解组织的老化，并有助于组织工程技术的发展。上图为胶原蛋白三螺旋。图片来源：Riedmiller / HITS
"胶原蛋白非凡的交联化学性质似乎完全适合处理机械应力，"HITS 的研究负责人 Frauke Gräter 说。"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，胶原蛋白交联中的弱键具有先于其他键（如胶原蛋白骨架中的键）断裂的强烈倾向。这可以作为一种保护机制，将断裂造成的自由基的有害化学和物理效应定位，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，为肌腱提供柔韧性，帮助血液凝固，并支持新细胞的生长。从结构上看，胶原蛋白类似于三重编织的螺旋线：三条氨基酸链交织在一起，形成了坚固的骨架。
每根胶原蛋白纤维都包含数千个独立分子，这些分子交错排列，并通过交联相互结合，从而增强了胶原蛋白的机械稳定性。人们认为胶原交联容易发生断裂，但对交联断裂的具体部位或断裂发生的原因却知之甚少。
HITS 分子生物力学小组的科学家们利用计算机模拟胶原蛋白在多种生物尺度和不同机械力作用下的变化，旨在揭开这些谜团。他们通过在大鼠尾巴、屈肌和跟腱上进行凝胶电泳和质谱分析实验，验证了他们的发现。通过对胶原蛋白进行严格测试，研究小组能够确定特定的断裂点。他们观察了力量如何通过组织的复杂层次结构消散，以及组织的化学键如何承受负荷。
胶原蛋白中的成熟交联由两条臂组成：其中一条臂比胶原蛋白组织中的其他键弱。当受到过大的力时，较弱的交联臂通常会首先断裂，从而消散力并产生局部的有害影响。科学家们发现，在胶原组织中存在弱键的区域，其他键（包括交联键和胶原骨架中的键）更有可能保持完整，从而保持胶原组织结构的完整性。
由 HITS 科学家领导的前期工作表明，胶原蛋白上的过度机械应力会导致自由基的产生，而自由基又会在体内造成损伤和氧化应激。
"我们的最新研究表明，胶原蛋白中的牺牲键在维持材料整体完整性方面发挥着至关重要的作用，可以帮助将这种机械应力的影响局部化，否则会对组织造成灾难性后果，"该研究的第一作者本尼迪克特-伦内坎普（Benedikt Rennekamp）解释说。"由于胶原蛋白是我们体内组织的主要替代物，通过发现和了解这些破裂部位，研究人员可以获得有关胶原蛋白力学的宝贵见解，并有可能开发出增强胶原蛋白韧性和减轻损伤的策略"。
