水決定生命：人類四分之三是水。由阿姆斯特丹大學(UvA)領導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合在一起的材料的結構：膠原蛋白。
在《美國國家科學院院刊》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。
正如弗吉尼亞大學范特霍夫分子科學研究所(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真對待。我們現(xiàn)在表明，即使是非常輕微的擾動蛋白質周圍的水層，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致各種涉及組織功能障礙的與年齡相關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“構成我們的物質”——我們體內(nèi)大約三分之一的蛋白質是膠原蛋白，它確保了所有人類結締組織的機械完整性。
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胞作為單一蛋白質產(chǎn)生，組裝成稱為原纖維的更大結構。這些原纖維進一步組裝成網(wǎng)絡，形成我們組織的支架。
由于膠原蛋白是在人體細胞的水環(huán)境中形成的，因此水在其組裝過程中起著至關重要的作用。水分子與蛋白質的相互作用產(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)絡之間的差異。在H2O中，形成更堅固的堅固纖維網(wǎng)絡，在D2O中，纖維更細，網(wǎng)絡不太堅固。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)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。這會影響與膠原蛋白等蛋白質的相互作用。
Giubertoni、Woutersen和Koenderink熱衷于研究這對膠原蛋白組裝的影響。與多學科合作研究網(wǎng)絡一起，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。
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，使得蛋白質更容易“擺脫”D2O分子并重組自身。
這促進了膠原蛋白網(wǎng)絡的形成，但也會導致膠原蛋白網(wǎng)絡變得更雜亂、不太理想。因此，水充當膠原蛋白分子之間的介質，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微變化來控制和微調(diào)宏觀特性，而不是對分子構建塊的化學結構進行重大改變。
未來也可能使用類似的“研究”方法來闡明水在驅動和指導能夠組裝成更大結構的其他蛋白質的組裝中的作用。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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