Учёные раскрыли, как слабые «жертвенные» связи в коллагене защищают ткани
Один из необычных способов повысить долговечность — пожертвовать частью себя. «Жертвенные» части есть и в коллагене — самом распространённом белке в нашем организме.
Учёные из Гейдельбергского института теоретических исследований (HITS) выяснили, как разрыв слабых «жертвенных» связей в коллагеновой ткани помогает локализовать повреждения от чрезмерной силы, минимизировать негативное воздействие на остальную ткань и способствовать восстановлению. Работа, опубликованная в Nature Communications, проливает свет на механизмы разрыва коллагена, что важно для понимания деградации тканей и старения материалов, а также может продвинуть методы тканевой инженерии.
«Замечательная химия поперечных сшивок коллагена, по-видимому, идеально приспособлена для работы с механическим стрессом, — говорит Фрауке Гретер, руководившая исследованием в HITS. — Используя взаимодополняющие вычислительные и экспериментальные методы для изучения коллагена в тканях крыс, мы обнаружили, что слабые связи в поперечных сшивках коллагена имеют сильную тенденцию разрываться раньше других связей, например, в основной цепи коллагена. Это служит защитным механизмом, локализует вредные химические и физические эффекты радикалов, вызванных разрывами, и, вероятно, поддерживает процессы молекулярного восстановления».
Коллаген составляет около 30% всех белков в организме человека. Он придаёт прочность костям, эластичность коже, защищает органы, обеспечивает гибкость сухожилий, способствует свёртыванию крови и поддерживает рост новых клеток. Структурно коллаген напоминает тройную спираль. Три цепи аминокислот переплетаются, образуя прочный и жёсткий «хребет». Каждое коллагеновое волокно содержит тысячи отдельных молекул, которые расположены в шахматном порядке и связаны друг с другом поперечными сшивками, что обеспечивает механическую стабильность коллагена. Предполагалось, что эти поперечные сшивки подвержены разрыву, однако мало что было известно о конкретных местах разрыва связей или о том, почему разрывы происходят именно там.
Учёные из группы молекулярной биомеханики HITS решили разгадать эти загадки с помощью компьютерного моделирования коллагена на нескольких биологических масштабах и при разных механических нагрузках. Они подтвердили свои выводы экспериментами с гель-электрофорезом и масс-спектрометрией, проведёнными на хвостах, сгибателях и ахилловых сухожилиях крыс. Подвергая коллаген жёстким испытаниям, команда смогла определить конкретные точки разрыва. Они наблюдали, как сила рассеивается через сложную иерархическую структуру ткани и как её химические связи выдерживают нагрузку.
Зрелые поперечные сшивки в коллагене состоят из двух «плеч», одно из которых слабее других связей в коллагеновой ткани. При воздействии чрезмерной силы более слабое «плечо», как правило, разрывается первым, рассеивая силу и локализуя вредные эффекты. Учёные обнаружили, что в областях коллагеновой ткани, где присутствуют слабые связи, другие связи — как в поперечных сшивках, так и в «хребте» коллагена — с большей вероятностью остаются целыми, тем самым сохраняя структурную целостность ткани.
Предыдущая работа учёных HITS показала, что чрезмерное механическое напряжение коллагена приводит к образованию радикалов, которые, в свою очередь, вызывают повреждения и окислительный стресс в организме. «Наше последнее исследование показывает, что «жертвенные» связи в коллагене играют жизненно важную роль в поддержании общей целостности материала и помогают локализовать последствия этого механического стресса, которые в противном случае могли бы иметь катастрофические последствия для ткани», — объясняет Бенедикт Реннекамп, первый автор исследования.
«Поскольку коллаген является основным компонентом тканей нашего тела, выявление и понимание этих точек разрыва может дать исследователям ценную информацию о механике коллагена и потенциально помочь разработать стратегии для повышения его устойчивости и снижения ущерба».