Nowe badanie wyjaśnia, dlaczego kolagen dinozaurów przetrwał znacznie dłużej, niż oczekiwano.
MIT Naukowcy odkryli, że specjalne interakcje na poziomie atomowym zapobiegają rozkładowi wiązań peptydowych w kolagenie przez cząsteczki wody, co wyjaśnia, w jaki sposób skamieliny dinozaurów mogły zachować struktury kolagenu przez ponad 195 milionów lat. Odkrycie to sugeruje głębszą odporność na poziomie molekularnym, co kwestionuje wcześniejsze poglądy na temat trwałości wiązań peptydowych.
Jak kolagen przetrwa w starożytnych skamielinach
Kolagen, białko występujące w kościach i tkance łącznej, znaleziono w skamieniałościach dinozaurów sprzed 195 milionów lat. To znacznie przekracza normalny okres półtrwania wiązań peptydowych spajających białka, który wynosi około 500 lat.
Nowe badanie przeprowadzone przez MIT wyjaśnia, w jaki sposób kolagen może przetrwać znacznie dłużej, niż oczekiwano. Zespół badawczy odkrył, że specjalne oddziaływanie na poziomie atomowym chroni kolagen przed atakiem cząsteczek wody. Ta barykada zapobiega rozrywaniu przez wodę wiązań peptydowych w procesie zwanym hydrolizą.
Kluczowa interakcja atomowa chroni kolagen
„Dostarczamy dowodów na to, że ta interakcja zapobiega atakowaniu przez wodę wiązań peptydowych i ich rozszczepianiu. To po prostu sprzeczne z tym, co dzieje się z normalnym wiązaniem peptydowym, którego okres półtrwania wynosi zaledwie 500 lat” – mówi Ron Raines, profesor chemii w Firmenich w MIT.
Raines jest głównym autorem nowego badania, które zostało opublikowane 4 września w Centralna nauka ACS. Głównym autorem artykułu jest postdoc z MIT, dr Jinyi Yang ’24. Autorami badania są także postdoc z MIT Volga Kojasoy i doktorant Gerard Porter.
Wodoodporność
Kolagen jest najobficiej występującym białkiem u zwierząt i występuje nie tylko w kościach, ale także w skórze, mięśniach i więzadłach. Jest zbudowany z długich pasm białka, które przeplatają się, tworząc mocną potrójną helisę.
„Kolagen to rusztowanie, które trzyma nas razem” – mówi Raines. „To, co sprawia, że białko kolagenowe jest tak stabilne i stanowi tak dobry wybór dla tego rusztowania, to fakt, że w przeciwieństwie do większości białek jest ono włókniste”.
W ostatniej dekadzie paleobiolodzy odkryli dowody na obecność kolagenu zachowanego w skamielinach dinozaurów, w tym w skamielinach sprzed 80 milionów lat. Tyranozaur rex skamieniałość i skamieniałość zauropodomorfa, która ma prawie 200 milionów lat.
Przez ostatnie 25 lat laboratorium Rainesa badało kolagen i to, jak jego struktura umożliwia jego funkcjonowanie. W nowym badaniu ujawniono, dlaczego wiązania peptydowe spajające kolagen są tak odporne na rozkład przez wodę.
Wiązania peptydowe i ich odporność na wodę
Wiązania peptydowe powstają pomiędzy atomami węgla atom z jednego amino kwas i atom azotu sąsiedniego aminokwasu. Atom węgla tworzy również podwójne wiązanie z atomem tlenu, tworząc strukturę molekularną zwaną grupą karbonylową. Ten karbonylowy tlen ma parę elektronów, które nie tworzą wiązań z żadnymi innymi atomami. Naukowcy odkryli, że elektrony te mogą być wspólne z grupą karbonylową sąsiedniego wiązania peptydowego.
Ponieważ ta para elektronów jest wstawiana do tych wiązań peptydowych, cząsteczki wody nie mogą również dostać się do struktury, aby rozerwać wiązanie.
Eksperymentalne dowody trwałości kolagenu
Aby to zademonstrować, Raines i jego współpracownicy stworzyli dwa wzajemnie przekształcające się mimetyki kolagenu — ten, który zwykle tworzy potrójną helisę, znany jako trans, i drugi, w którym kąty wiązań peptydowych są obrócone do innej formy, znanej jako cis. . Odkryli, że forma trans kolagenu nie pozwala wodzie atakować i hydrolizować wiązania. W postaci cis woda dostała się do środka i wiązania zostały zerwane.
„Wiązanie peptydowe ma postać cis lub trans i możemy zmienić stosunek cis do trans. Robiąc to, możemy naśladować naturalny stan kolagenu lub stworzyć niezabezpieczone wiązanie peptydowe. I widzieliśmy, że gdy nie był chroniony, świat nie potrzebował długo” – mówi Raines.
„Ta praca opiera się na długoterminowych wysiłkach grupy Raines mających na celu sklasyfikowanie roli długo pomijanej podstawowej interakcji w strukturze białka” – mówi Paramjit Arora, profesor chemii na Uniwersytecie Uniwersytet Nowojorskiktóry nie brał udziału w badaniach. „Artykuł bezpośrednio odnosi się do niezwykłego odkrycia nienaruszonego kolagenu w żebrach skamieniałości dinozaura sprzed 195 milionów lat i pokazuje, że nakładanie się wypełnionych i pustych orbitali kontroluje konformacyjną i hydrolityczną stabilność kolagenu”.
„Żadnego słabego łącza”
Ten podział elektronów zaobserwowano także w strukturach białkowych zwanych helisami alfa, które występują w wielu białkach. Helisy te można również chronić przed wodą, ale helisy są zawsze połączone sekwencjami białek, które są bardziej odsłonięte i nadal podatne na hydrolizę.
„Kolagen to potrójne helisy, od jednego końca do drugiego” – mówi Raines. „Nie ma słabego ogniwa i dlatego myślę, że przetrwało”.
Alternatywne teorie
Wcześniej niektórzy naukowcy sugerowali inne wyjaśnienia, dlaczego kolagen może zachować się przez miliony lat, w tym możliwość, że kości były tak odwodnione, że woda nie mogła dotrzeć do wiązań peptydowych.
„Nie mogę pominąć wpływu innych czynników, ale 200 milionów lat to dużo czasu i myślę, że aby to wyjaśnić, potrzeba czegoś na poziomie molekularnym, atomowym” – mówi Raines.
Więcej informacji na temat tego badania można znaleźć w artykule Jak kości dinozaurów przeciwstawiają się naukowym oczekiwaniom rozkładu.
Odniesienie: „Wykluczenie Pauliego przez n → π* Interakcje: Implikacje dla paleobiologii” Jinyi Yang, Volga Kojasoy, Gerard J. Porter i Ronald T. Raines, 4 września 2024 r., Centralna nauka ACS.
DOI: 10.1021/accentsci.4c00971
Badania zostały sfinansowane ze środków Narodowe Instytuty Zdrowia oraz Narodowa Fundacja Nauki.
