水如何引导胶原蛋白的组装胶原蛋白是人类的基石

水决定生命：人类四分之三是水。由阿姆斯特丹大学(UvA)领导的一个国际研究小组现已发现水如何决定将我们结合在一起的材料的结构：胶原蛋白。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，研究人员阐明了水在胶原蛋白分子自组装中的作用。他们表明，通过用“双分子”重水(D2O)代替水，可以“调节”胶原蛋白分子之间的相互作用，从而影响胶原蛋白自组装的过程。这些发现将有助于更好地了解由遗传性胶原蛋白相关疾病(例如脆骨病(成骨不全))引起的组织衰竭。

正如弗吉尼亚大学范特霍夫分子科学研究所(HIMS)的主要作者GiuliaGiubertoni博士所说，“在研究这些和其他胶原蛋白疾病时，包括我自己在内的许多研究人员……总是忽略了胶原蛋白疾病的一个重要部分。“这个谜题，组织衰竭可能部分归因于水-胶原蛋白相互作用的可能性并没有得到认真对待。我们现在表明，即使是非常轻微的扰动蛋白质周围的水层，也会对胶原蛋白的组装产生巨大的影响。”

Giubertoni希望让胶原蛋白疾病领域的研究人员意识到，水与胶原蛋白相互作用的非常微妙的变化可能会导致胶原蛋白疾病。例如，这些变化可能是由遗传性疾病中发生的胶原蛋白突变引起的。研究人员还表明，水和胶原蛋白之间相互作用的改变是导致各种涉及组织功能障碍的与年龄相关的疾病的一个促成因素。

我们的组成部分

胶原蛋白在很大程度上是“构成我们的物质”——我们体内大约三分之一的蛋白质是胶原蛋白，它确保了所有人类结缔组织的机械完整性。

例如，我们的皮肤和动脉可以伸展而不会撕裂，我们的骨骼可以承受高压力而不会断裂。胶原蛋白由我们的细胞作为单一蛋白质产生，组装成称为原纤维的更大结构。这些原纤维进一步组装成网络，形成我们组织的支架。

由于胶原蛋白是在人体细胞的水环境中形成的，因此水在其组装过程中起着至关重要的作用。水分子与蛋白质的相互作用产生最适合其功能的胶原蛋白。但水这种优化胶原蛋白的作用背后到底是什么?水是如何做到的呢?了解这一机制是否可以帮助我们深入了解胶原蛋白出现问题的情况，例如成骨不全?这些是发表在《美国国家科学院院刊》上的研究的核心问题。

这些图像是使用电子显微镜拍摄的，可以深入了解在H2O(上图)或D2O(下图)中组装的胶原纤维网络之间的差异。在H2O中，形成更坚固的坚固纤维网络，在D2O中，纤维更细，网络不太坚固。信用：HIMS

引入重水

为了研究水在胶原蛋白形成中的作用，Giubertoni与她的UvA同事SanderWoutersen教授和合作者GijsjeKoenderink教授(代尔夫特理工大学)决定用其较重的“双分子”D2O代替水。最初由诺贝尔奖获得者哈罗德·尤里(HaroldUrey)于1931年发现，D2O中水的氢原子(H)被同位素氘(D)取代，氘(D)的核中添加了中子。因此，D2O或“重水”是自然界中普通水的“最接近的替代品”。

然而，在与蛋白质的相互作用中，D2O的效力不如H2O。这是因为D2O分子之间的键(所谓的氢键)比H2O分子之间的键更强。这会影响与胶原蛋白等蛋白质的相互作用。

Giubertoni、Woutersen和Koenderink热衷于研究这对胶原蛋白组装的影响。与多学科合作研究网络一起，他们能够确定，使用重水会使胶原蛋白的形成速度加快十倍，并最终形成不太均匀、更柔软且不太稳定的胶原纤维网络。

非常有效的主持人

解释是，重水与胶原蛋白的相互作用减少，使得蛋白质更容易“摆脱”D2O分子并重组自身。

这促进了胶原蛋白网络的形成，但也会导致胶原蛋白网络变得更杂乱、不太理想。因此，水充当胶原蛋白分子之间的介质，减缓组装速度，以保证活组织的功能特性。

这一发现为水如何影响胶原蛋白的特性提供了新的视角，从而可以精确调整活体组织的机械性能。它还为创建基于胶原蛋白的材料创造了新的途径，可以通过溶剂成分的细微变化来控制和微调宏观特性，而不是对分子构建块的化学结构进行重大改变。

未来也可能使用类似的“研究”方法来阐明水在驱动和指导能够组装成更大结构的其他蛋白质的组装中的作用。朱伯托尼将继续研究胶原蛋白的缺陷如何影响其与水的相互作用，以及这在胶原蛋白疾病中的组织衰竭中发挥什么作用。

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