Динозавры продолжают очаровывать людей, но это не единственное их непреходящее качество: коллаген в их скелетах остается нетронутым в течение миллионов лет, несмотря на то, что содержит химические связи, которые должны сохраняться только около 500 лет. Теперь ученые сообщают в ACS Central Science, что уникальная прочность этого белка может быть результатом молекулярной структуры, которая защищает эти уязвимые связи от воздействия воды, присутствующей в окружающей среде.
Коллаген, белок, содержащийся в костях и соединительной ткани, был обнаружен в окаменелостях динозавров возрастом 195 миллионов лет. Это намного превышает нормальный период полураспада пептидных связей, удерживающих белки вместе, который составляет около 500 лет.
Новое исследование Массачусетского технологического института предлагает объяснение того, как коллаген может выживать намного дольше, чем ожидалось. Исследовательская группа обнаружила, что особое взаимодействие на атомном уровне защищает коллаген от атак молекул воды. Эта преграда не позволяет воде разрушать пептидные связи посредством процесса, называемого гидролизом.
«Мы представляем доказательства того, что это взаимодействие не позволяет воде атаковать пептидные связи и расщеплять их. Это просто противоречит тому, что происходит с обычной пептидной связью, период полураспада которой составляет всего 500 лет», — говорит ведущий автор исследования профессор Рон Рейнс из Массачусетского технологического института.
Коллаген — самый распространенный белок у животных, и он содержится не только в костях, но и в коже, мышцах и связках. Он состоит из длинных нитей белка, которые переплетаются, образуя жесткую тройную спираль.
«Коллаген — это каркас, который удерживает нас вместе», — говорит Рейнс. «Что делает белок коллагена таким стабильным и таким хорошим выбором для этого каркаса, так это то, что в отличие от большинства белков он волокнистый».
За последнее десятилетие палеобиологи обнаружили доказательства сохранения коллагена в окаменелостях динозавров, включая окаменелость тираннозавра возрастом 80 миллионов лет и окаменелость завроподоморфа возрастом почти 200 миллионов лет.
В течение последних 25 лет лаборатория Рейнса изучала коллаген и то, как его структура обеспечивает его функционирование. В новом исследовании они раскрыли, почему пептидные связи, которые удерживают коллаген вместе, так устойчивы к разрушению водой.
Пептидные связи образуются между атомом углерода одной аминокислоты и атомом азота соседней аминокислоты. Атом углерода также образует двойную связь с атомом кислорода, образуя молекулярную структуру, называемую карбонильной группой. Этот карбонильный кислород имеет пару электронов, которые не образуют связей ни с какими другими атомами. Эти электроны, как обнаружили исследователи, могут быть разделены с карбонильной группой соседней пептидной связи.
Поскольку эта пара электронов вставляется в эти пептидные связи, молекулы воды не могут проникнуть в структуру и разрушить связь.
Чтобы продемонстрировать это, Рейнс и его коллеги создали два взаимопревращающихся имитатора коллагена — один, который обычно образует тройную спираль, известную как транс, и другой, в котором углы пептидных связей повернуты в другую форму, известную как цис. Они обнаружили, что транс-форма коллагена не позволяет воде атаковать и гидролизовать связь. В цис-форме вода проникала, и связи разрывались.
«Пептидная связь может быть либо цис-, либо транс-, и мы можем изменить соотношение цис- и транс-. Делая это, мы можем имитировать естественное состояние коллагена или создать незащищенную пептидную связь. И мы увидели, что когда она была незащищенной, она недолго просуществовала в мире», — говорит Рейнс.
Такое распределение электронов также наблюдалось в белковых структурах, известных как альфа-спирали, которые встречаются во многих белках. Эти спирали также могут быть защищены от воды, но спирали всегда связаны с белковыми последовательностями, которые более открыты и которые все еще подвержены гидролизу.
«Коллаген — это сплошные тройные спирали, от одного конца до другого», — говорит Рейнс. «Нет ни одного слабого звена, и именно поэтому, я думаю, он выжил».
Ранее некоторые ученые предлагали другие объяснения того, почему коллаген мог сохраняться в течение миллионов лет, включая возможность того, что кости были настолько обезвожены, что вода не могла достичь пептидных связей.
«Я не могу сбрасывать со счетов вклад других факторов, но 200 миллионов лет — это большой срок, и я думаю, что для того, чтобы это объяснить, нужно что-то на молекулярном уровне, на атомном уровне», — говорит Рейнс.
