水決定生命：人類四分之三是水。由阿姆斯特丹大學(xué)(UvA)領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)水如何決定將我們結(jié)合在一起的材料的結(jié)構(gòu)：膠原蛋白。
在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的一篇論文中，研究人員闡明了水在膠原蛋白分子自組裝中的作用。他們表明，通過用“雙分子”重水(D2O)代替水，可以“調(diào)節(jié)”膠原蛋白分子之間的相互作用，從而影響膠原蛋白自組裝的過程。這些發(fā)現(xiàn)將有助于更好地了解由遺傳性膠原蛋白相關(guān)疾病(例如脆骨病(成骨不全))引起的組織衰竭。
正如弗吉尼亞大學(xué)范特霍夫分子科學(xué)研究所(HIMS)的主要作者GiuliaGiubertoni博士所說，“在研究這些和其他膠原蛋白疾病時，包括我自己在內(nèi)的許多研究人員……總是忽略了膠原蛋白疾病的一個重要部分。“這個謎題，組織衰竭可能部分歸因于水-膠原蛋白相互作用的可能性并沒有得到認(rèn)真對待。我們現(xiàn)在表明，即使是非常輕微的擾動蛋白質(zhì)周圍的水層，也會對膠原蛋白的組裝產(chǎn)生巨大的影響。”
Giubertoni希望讓膠原蛋白疾病領(lǐng)域的研究人員意識到，水與膠原蛋白相互作用的非常微妙的變化可能會導(dǎo)致膠原蛋白疾病。例如，這些變化可能是由遺傳性疾病中發(fā)生的膠原蛋白突變引起的。研究人員還表明，水和膠原蛋白之間相互作用的改變是導(dǎo)致各種涉及組織功能障礙的與年齡相關(guān)的疾病的一個促成因素。
我們的組成部分
膠原蛋白在很大程度上是“構(gòu)成我們的物質(zhì)”——我們體內(nèi)大約三分之一的蛋白質(zhì)是膠原蛋白，它確保了所有人類結(jié)締組織的機(jī)械完整性。
例如，我們的皮膚和動脈可以伸展而不會撕裂，我們的骨骼可以承受高壓力而不會斷裂。膠原蛋白由我們的細(xì)胞作為單一蛋白質(zhì)產(chǎn)生，組裝成稱為原纖維的更大結(jié)構(gòu)。這些原纖維進(jìn)一步組裝成網(wǎng)絡(luò)，形成我們組織的支架。
由于膠原蛋白是在人體細(xì)胞的水環(huán)境中形成的，因此水在其組裝過程中起著至關(guān)重要的作用。水分子與蛋白質(zhì)的相互作用產(chǎn)生最適合其功能的膠原蛋白。但水這種優(yōu)化膠原蛋白的作用背后到底是什么?水是如何做到的呢?了解這一機(jī)制是否可以幫助我們深入了解膠原蛋白出現(xiàn)問題的情況，例如成骨不全?這些是發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的研究的核心問題。
這些圖像是使用電子顯微鏡拍攝的，可以深入了解在H2O(上圖)或D2O(下圖)中組裝的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)之間的差異。在H2O中，形成更堅固的堅固纖維網(wǎng)絡(luò)，在D2O中，纖維更細(xì)，網(wǎng)絡(luò)不太堅固。信用：HIMS
引入重水
為了研究水在膠原蛋白形成中的作用，Giubertoni與她的UvA同事SanderWoutersen教授和合作者GijsjeKoenderink教授(代爾夫特理工大學(xué))決定用其較重的“雙分子”D2O代替水。最初由諾貝爾獎獲得者哈羅德·尤里(HaroldUrey)于1931年發(fā)現(xiàn)，D2O中水的氫原子(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，在與蛋白質(zhì)的相互作用中，D2O的效力不如H2O。這是因為D2O分子之間的鍵(所謂的氫鍵)比H2O分子之間的鍵更強(qiáng)。這會影響與膠原蛋白等蛋白質(zhì)的相互作用。
Giubertoni、Woutersen和Koenderink熱衷于研究這對膠原蛋白組裝的影響。與多學(xué)科合作研究網(wǎng)絡(luò)一起，他們能夠確定，使用重水會使膠原蛋白的形成速度加快十倍，并最終形成不太均勻、更柔軟且不太穩(wěn)定的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)。
非常有效的主持人
解釋是，重水與膠原蛋白的相互作用減少，使得蛋白質(zhì)更容易“擺脫”D2O分子并重組自身。
這促進(jìn)了膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成，但也會導(dǎo)致膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)變得更雜亂、不太理想。因此，水充當(dāng)膠原蛋白分子之間的介質(zhì)，減緩組裝速度，以保證活組織的功能特性。
這一發(fā)現(xiàn)為水如何影響膠原蛋白的特性提供了新的視角，從而可以精確調(diào)整活體組織的機(jī)械性能。它還為創(chuàng)建基于膠原蛋白的材料創(chuàng)造了新的途徑，可以通過溶劑成分的細(xì)微變化來控制和微調(diào)宏觀特性，而不是對分子構(gòu)建塊的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大改變。
未來也可能使用類似的“研究”方法來闡明水在驅(qū)動和指導(dǎo)能夠組裝成更大結(jié)構(gòu)的其他蛋白質(zhì)的組裝中的作用。朱伯托尼將繼續(xù)研究膠原蛋白的缺陷如何影響其與水的相互作用，以及這在膠原蛋白疾病中的組織衰竭中發(fā)揮什么作用。
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