Колагенът може да генерира огромна сила

Проучване твърди, че колагенът може да генерира огромна сила

Намиращият се в костите, сухожилията и кожата - колаген е влакнест протеин, който играе ключова роля в структурния състав на човешкия организъм.

Ново проучване, публикувано наскоро от екип германски и американски учени разкри, че премахването на голямо количество вода от колагеновите влакна, става причина за тяхното свиване и генерира сили до 300 пъти по-големи от тези, които се генерират от човешките мускули.

Публикуваното в списание Nature Communications, ново изследване може да доведе до разработването на нови материали и ортопедични лечения, споделиха от изследователския екип.

Молекулата на колагена е като въже, с три струнно-подобни протеини драпирани един около друг, за да се създаде тройно-спирална структура. Някои от тези "въжета", на свой ред се сливат, за да образуват по-тежки "намотки", посочени като колагенови фибрили. С дебелина само 100-500 нанометра, влакната са 100 хиляди пъто по-тънки от обикновеното въже.

Прилежащите колагенови молекули не са подредени една до друга във фибрилите, а са подредени шахматно. Това води до смяна на по-плътни и по-тънки зони по дължината на влакната. Накрая, много фибрили се съчетават заедно, за да създадат колагеновите влакна.

В новото изследване, учените са успели да докажат как са засегнати различните колагеновите структури от променилото се съдържание на вода: от молекулярно ниво, по целия път до нивото на фибрите. Екипът извършил два вида експерименти на водна основа с колаген, в специална експериментална камера, и също така създали серия от компютърни модели, които копират поведението на колагеновите фибрили.

"Водата е неразделна част от колагена", каза авторът на изследването Адмир Maсик, изследовател на биологични материали в Института Макс Планк на колоиди и интерфейси, Германия.

Водата съставлява около 60 на сто от теглото на натуралния колаген и молекулите му се свързват плътно с колагена по спираловидната му форма, факт, който екипът е успял да покаже с помощта на рентгенова дифракция. Екипът на проучването също имал възможността да покаже ъгълът на завъртане и ширината на спиралата.

В експериментите на сушене /отнемане на вода/, изследователите са открили, че когато относителната влажност пада от 95 на 5 %, колагеновите молекули изсъхват и се свиват с дължина от 1,3 на сто. Съответните фибрили се свиват около 2,5%.

Това намаляване на дължината предизвиква нарастващо напрежение в колагеновите структури на около 100 мегапаскали, или 300 пъти в сравнение със силите, генерирани от човешката мускулатура.

Използвайки технология за възпроизвеждане на изображения, наречен Raman спектроскопия, изследователите са открили, че свиването е предизвикано от структурни промени в колагена, които приличат на скъсяване на въже чрез формиране на вълнообразни модели. Интересното е, че това явление, кара по-дебелите участъци на влакната да се разтягат, а по-тънките участъци да се скъсяват.

"С това знание, изследователите биха могли да разработят материали, които се държат по съответен начин, когато водата се отделя от тях", отбелязва авторът на изследването Лука Бертинети /Luca Bertinetti/, изучаващ материалите в Макс Планк.

Екипът на проучване отбелязва, че техните констатации показват също, че високата якост на опън на засушаващия колаген може да играе активна структурна роля в човешкото тяло, както и по време на формирането на костите. Изследването казва, че засъхващия колаген може да действа като арматурно желязо в бетонен фундамент.

"По време на синтеза на костите, водата може да бъде отстранена от колагеновата матрица, така че тъканите да се свиват ", казва авторът на изследването Петър Фратцел /Peter Fratzl/, директор на института.

Екипът на проучването са заявили, че се планира да се разгледа ролята на колагена в костите и другите тъкани.