Электростатические силы стабилизируют коллаген, проливая свет на генетические расстройства

Исследователи из Университета Байройта обнаружили механизм, благодаря которому коллаген — самый распространенный белок в организме человека — успешно самоорганизуется. Они выявили электростатические силы, которые поддерживают эту самоорганизацию и способствуют стабильности белка.

Коллагены — самые распространенные белки в организме человека, содержащиеся в коже, костях, зубах и роговице. Нарушения формирования коллагена являются одной из основных причин генетических расстройств, таких как несовершенный остеогенез («болезнь хрупких костей»), при котором у одних пациентов переломы возникают при минимальном воздействии, а у других симптомы почти или полностью отсутствуют.

Расшифровка механизмов самоорганизации коллагена может помочь в понимании развития этих состояний и различной степени тяжести симптомов.

На молекулярном уровне коллагены состоят из веревкообразной структуры из трех переплетенных цепей, известной как тройная спираль. Самоорганизация коллагена начинается с одного конца этой структуры и прогрессирует, как молния, до другого конца. Однако отдельные цепи часто длинные и гибкие, что может нарушить этот процесс.

Исследователи из рабочей группы «Коллаген — структура, функция и биоматериалы» под руководством д-ра Абхишека Джалана обнаружили электростатические молекулярные силы, которые стабилизируют уже самоорганизованные участки тройной спирали. Это позволяет успешно протекать самоорганизации оставшихся сегментов цепей.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

Ученые обнаружили, что определенные аминокислоты в коллагене образуют солевые мостики, которые повышают стабильность белка. Их исследование показывает, что 28 известных типов коллагена содержат в среднем 50% таких мостиков. В то же время, в дефектном коллагене количество солевых мостиков резко снижено.

«Мостики между аминокислотами функционируют как электростатические зажимы, которые фиксируют уже переплетенные цепи тройной спирали, позволяя оставшимся областям цепей самоорганизоваться. Эти мостики также предотвращают локальное раскручивание уже организованных коллагеновых цепей», — говорит Джалан.

Однако солевые мостики внутри белка делают больше, чем просто повышают стабильность: исследователи в Байройте обнаружили, что мутации, нарушающие эти мостики, связаны с более тяжелыми или даже опасными для жизни заболеваниями.

«Например, несовершенный остеогенез имеет широкий спектр тяжести. Некоторые формы не проявляют клинических симптомов, в то время как другие смертельны. Влияние мутаций на солевые мостики впервые дает ключ к пониманию того, почему этот спектр существует и почему одни мутации в коллагене приводят к более тяжелым последствиям, чем другие», — объясняет Джалан.