자연 거친 콜라겐 디자인:콜라겐 섬유소의 나노 구조를 설명

결과 및 토론

콜라겐 섬유소의 거시적 인 인장 하중 하에서 힘은 주로 개인에 의해 운반되는 인장 하중과 다른 분자 사이의 전단력으로 분산됩니다(그림 1). 1,피 브릴). 이 모형은 뼈를 위해 건의된 가위 긴장 모형과 유사합니다(2, 3, 5, 17).

엔트로피 기여보다는 에너지 효과가 콜라겐 섬유소 및 섬유의 탄성 및 파괴 특성을 제어합니다. 개별 폴리펩티드 분자의 파괴 강도는 공유 결합 폴리펩티드 화학에 의해 크게 제어됩니다. 두 분자 사이의 전단 강도는 약한 분산 및 수소 결합 상호 작용과 일부 분자간 공유 결합 교차 결합에 의해 제어됩니다.

콜라겐 피 브릴의 변형 모드:중요한 분자 길이 스케일.

우리는 먼저 두 분자의 엇갈린 어셈블리에 초점을 맞춤으로써 콜라겐 피 브릴의 단순한 모델을 고려합니다(그림 1). 2 에이). 전단 저항 두 TC 분자,표시된 tshear,리드게 연락 길이 의존하는 힘,L C 은 문의 길이,그리고 F tens 적용된 축방향 분자,수있 또는 표현으로 인장 응력 σtens=F tens/c 을 고려하여 분자 cross-sectional area c. 매개 변수 α 에 대해 설명합의 일부로 연락의 길이 상대적인 분자의 길이,α=L C/L. 때문에 비틀거리며,기하학의 전단 저항은 증가한 선형으로 L,따라서 F 십∼tshear L. 이 모델은 분자 사이의 전단 변형이 축 방향을 따라 균질 한 경우에만 유지됩니다.

균일 한 분자간 전단에 대한 대안은 분자간”결합의 국소화 된 파괴로 인한 슬립 펄스의 전파입니다.”골절의 시작을 설명하는 그리피스의 에너지 인자의 정신에서,슬립 펄스의 핵 생성은 적용된 인장 응력에 의해 제어된다.

경우 σtens<σR,변형에 의해 제어되는 균질 전단 사 TC 분자. 그러나,분자간 슬립 펄스가 핵 생성되면,이는 임계 분자 길이에 대한 피 브릴<엑스,우세한 변형 모드는 균질 전단이다. 슬립 펄스의 전파가 지배적입니다. 피 브릴 의 강도는 다음과 독립적입니다 엘(식. 3),티흉스에 접근. 이 개념은 뼈(2)의 미네랄 혈소판에 대해 제안 된 결함 허용 길이 척도와 다소 유사합니다.

길이 척도 엑스 에스 분자 간의 물질 매개 변수와 상호 작용에 따라 다릅니다. 예를 들어 높은 가교 밀도 또는 용매의 영향(예:낮은 물 농도)으로 인해 매우 큰 값을 가정하는 경우 각 분자의 인장력(식. 균일 한 전단 또는 슬립 펄스가 핵 생성되기 전에 에프 맥스로 표시된 티씨 분자의 인장 강도에 도달합니다. (에프 맥스는 화학 환경의 영향을 포함하여 화학 물질의 분자 구조에 궁극적으로 의존하는 물질 상수입니다.,효소의 존재.따라서,분자 전단에서 개별 티씨 분자의 취성과 같은 파열로의 전이가 발생했을 때를 특징으로 한다. 기계적 부하 변화에 대한 콜라겐 원 섬유의 반응 전단 또는 활공 분자 사이,로 분자 골절 엘 증가. 에 대한 엘>엑스엘,티씨 분자는 변형 중에 파손되는 반면,엘 제 2018 에 대한 변형은 균일 한 분자간 전단을 특징으로합니다.

완전한 콜라겐 피 브릴의 무결성은 가장 약한 고리의 강도에 의해 제어됩니다. 따라서 임계 길이 스케일의 상호 작용은 변형 메커니즘을 제어합니다.따라서,펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어되는 반면,슬립 펄스 핵 생성은 큰 분자 길이로 제어됩니다. 두 경우 모두 강도가 증가하지 않습니다. 피브릴의 최대 강도에 도달 엘=엘 엘=최소(엑스 아르 자형,엑스 에스),이는 임의의 길이에 대한 사실 엘 티씨 분자의. 1,균일 한 분자간 미끄러짐이 변형을 지배합니다. 에 대한 분자 엘>엘 제 2,슬립 펄스 또는 골절 세트 에 따라 두 개의 길이 척도 중 어느 것이 엑스 에스 또는 엑스 에스 에스 더 작습니다. 짧은 분자의 경우,콜라겐 피 브릴의 강도는 작은 경향이 있으며 엘 씨.엘 피 브릴의 최대 인장 강도에 도달 할 때 엘 피 브릴의 최대 인장 강도에 도달합니다.

또한,변형시 최대 에너지 소산을 유도한다. 2184>내장 이미지식입니다. 도 5 는 분자 길이가 증가함에 따라 소산 된 에너지의 증가를 예측하므로 긴 분자를 선호합니다. 전단 변형이 설정되기 전에 분자가 파열되기 때문입니다. 결합 파열 및 더 짧은 분자의 형성 후,전자 디스는 유의하게 감소하여,엘>엘>엘>가 선호되지 않는다는 것을 시사한다. 에너지 소실은 최대값입니다. 만약 엑스 에스<엑스,소산 된 에너지는 근사 할 수 있습니다(가정 엘씨>엑스 에스)제안,작은 분자 길이에 대한 이차 증가 후,소산 된 에너지는 선형 적으로 증가 엘 씨.

이분자(비엠)어셈블리의 분자 모델링.

모든 시뮬레이션은 콜라겐의 메소 스코픽 분자 비드 모델을 사용하여 수행됩니다. 전산 실험(30,31)의 정신에서 우리는 어떻게 다른 나노 디자인 및 수정 분자 속성에 콜라겐 섬유 소의 기계적 특성에 영향을 탐험.

첫째,우리는 조향 된 분자 역학을 사용하여 두 개의 티씨 분자의 어셈블리를 전단하는 전산 실험에 초점을 맞 춥니 다(그림 1 참조). 2 에이)(32). 콜라겐 피 브릴(18)의 엑스레이 회절 분석에 따르면 겹침=3/4.

이 모델은 피 브릴 미세 구조의 단순한 표현 역할을합니다. (비엠피브릴의 강도는 완전한 콜라겐 피브릴에 비해 감소합니다.)우리는 완전히 수화 된 가교가없는 피 브릴의 참조(제어)시스템을 사용합니다. 전체 atomistic 모델링 계시는 F 최≈24×103pN 및 tshear≈5.55pN/Å,그리고 xR≈436nm 이러한 경우(보을 지원하는 정보에 게시 PNAS 웹 사이트).

우리의 목표는 변형 모드(분자간 전단,슬립 펄스의 전파,또는 취 성 같은 파열)의 의존성을 입증 하는

그림. 정규화 된 접착 강도의 다른 값에 대한 정규화 된 비엠 피 브릴 인장 강도를 나타낸다. 접착 강도 τ*전단=µtshear,0<μ<4.

결과는 식에 의해 만들어진 예측을 확증. 1:두 분자 사이의 접착력이 강할수록 콜라겐 피 브릴의 강도가 커집니다. 화학 물질 분자 사이의 증가 된 접착력은 증가 된 가교 밀도로 인한 것일 수 있습니다.

그림. 2 씨 분자 길이의 변형의 함수로서 비엠 인장 강도를 나타낸다 엘/엑스 에스 과 엑스 에스/엑스 에스<1. 위에서 보고 하는 고려 사항에 따라,우리는 슬립 펄스는 핵 정권 두 티 씨 분자 사이 균일 한 전단에서 변형 모드에서 전환을 찾을 리터 증가. 분자 변위 필드의 분석은 이론적으로 제안 된 슬립 펄스의 존재를 보여줍니다. 피 브릴의 강도는 유한 값에 접근 할 때 엘>엑스 에스.

균일 한 전단 펄스와 슬립 펄스 사이의 전이 지점을 고려함으로써,우리는 추정한다. 따라서 균일 한 전단 또는 슬립 펄스 전파가 변형을 지배한다는 것을 나타냅니다.

그림. 2 디 균일 한 전단에서 티씨 분자의 취성 유사 파열로의 전이를 보여줍니다. 이 조건은 낮은 분자 골절 힘을 특징으로 중간 규모 모델의 속성을 수정 하 여 실현 됩니다. (아르 자형 휴식 14.5 에서 선택됩니다.)이 플롯은 비엠 피 브릴의 강도와 소산 된 에너지를 모두 묘사합니다. 소산 된 에너지는 이론적 모델과 일치 할 때 최대화됩니다. 티씨 분자의 반복적인 파괴는 티씨 세그먼트의 많은 수의 작은 티씨 세그먼트의 형성을 초래하여,강도의 감소로 이어진다.

그림. 2 이자형 비엠 피 브릴의 인장 강도가 가교 밀도에 어떻게 의존하는지 보여줍니다. 비엠 피 브릴 강도는 더 큰 가교 밀도에 따라 증가하지만 0.01 을 초과하는 가교 밀도에 대해 포화되기 시작합니다. 더 큰 가교 밀도의 경우,비율 엑스 에스/엑스 에스 엘 1 보다 큰 값으로 변경되고 분자 파열이 발생합니다.

계산 결과 위에서 보고 된 이론적 분석을 확증 하 고 두 길이 비늘의 존재와 지배 변형 모드의 상호 작용을 확인 합니다.

더 큰 콜라겐 원 섬유의 기계적 특성의 분자 모델링.

이제 그림 1 과 같이 보다 현실적인 피 브릴 기하학의 변형 거동을 모델링합니다. 1(“피브릴”이라는 레이블 옆에 있음),분자 길이의 변이에 의한 기계적 성질의 변화를 연구함으로써 엘.

분자 길이의 25%의 축 방향 변위를 갖는 콜라겐 피브릴의 엇갈린 설계로 인해(18),피브릴 내의 티씨 분자 사이의 접촉 길이는 엘. 따라서 3 과 4 는 콜라겐 원 섬유의 변형 역학에 중요한 영향을 미칩니다.

우리는 교차 결합 결핍 콜라겐의 모델로 완전히 수화 된 교차 결합이없는 콜라겐 피 브릴을 고려합니다. 그림. 결과는 소성 변형의 발병 것이 좋습니다,최대 강도,콜라겐 섬유소의 큰 변형 역학 분자 길이에 따라 달라집니다.

그림. 결과는 분자 길이의 함수로서 피브릴의 정규화 된 탄성 강도를 나타낸다. 콜라겐 피 브릴의 탄성 단축 균주는 최대 5%에 도달합니다. 최대 응력은 소성 변형 동안 최대 0.5 지파씰에 도달합니다.

포화가 발생하는 분자 길이는 균일 한 전단(엘 100)에서 슬립 펄스의 핵 생성(엘 100)에 이르기까지 변형 메커니즘의 변화에 해당합니다. 해당 분자 길이는 임계 분자 길이 척도에 대한 추정치를 제공합니다.

이 길이 스케일은 단순한 비엠 모델에 비해 실제 콜라겐 피 브릴 기하학에서 더 큽니다. 분자 끝에 하중이 가해지는 비엠의 경우와 달리,실제 피브릴 기하학에서는 분자 축을 따라 전단력의 분포가 더욱 균질합니다. 경계 조건의 이러한 변화는 일반적으로 슬립 펄스 핵 생성에 대한 균질 전단을 선호합니다. 또한,슬립 펄스의 핵 생성은 분자의 굽힘을 필요로하며,따라서 다른 분자가 다른 분자에 즉시 인접하는 격자 형 배열로 인해 기하학적 감금 때문에 에너지 적으로 더 비싸다(그림 1). 1).

우리는 이전 섹션에서 설명한 바와 같이(참조 시스템의 물질적 특성 임),2009 년 12 월 23 일,2009 년 12 월 23 일,2009 년 12 월 23 일,2009 년 12 월 23 일에 확인함. 따라서,비는 분자 길이가 변화함에 따라 슬립 펄스와 균질 전단 사이의 경쟁을 시사하는 비는 3200>1 이다. 이 결과는 교차 결합 결핍 콜라겐이 주로 분자간 전단 변형을 겪을 수 있음을 시사합니다.

그림. 4 비 단위 부피당 변형 중에 소산되는 에너지를 나타냅니다. 우리는 분자 길이와 함께 지속적인 증가를 관찰 엘,임계 분자 길이에서 최대에 도달 엘 제 2 차 세계 대전,다음 약간의 감소. 에너지 소산은 슬립 펄스 전파 동안 더 긴 전단 경로 때문에 400 나노 미터 이상의 초대형 분자 길이에서 더욱 증가합니다. 매우 긴 분자에 대 한 에너지 소산에 완만 한 증가 비효율적인 솔루션,일반 원 섬유에 이러한 매우 긴 분자를 조립 하기 때문에 도전 수 있습니다.

결론

우리의 결과 분자 간 상호 작용의 강도 분자 길이 자연에서 발견 하는 콜라겐의 구조적 특징 중 일부를 설명 하는 변형 역학을 결정 하는 데 중요 한 역할을 한다 것이 좋습니다.(1)분자간 전단,(2)슬립 펄스 전파 및(3)개별 티씨 분자의 골절(그림 참조. 2–4).

통치 변형 메커니즘에 의해 제어되는 비율 xS/xR:는지 여부를 분자 골절(xS/xR>1)또는 슬립 펄스(xS/xR<1)지배하는 변형,힘의 fibril 접근 방식에서 최대가 L χ=min(xR xS)는 극복할 수 없는 증가하여 L. 때 L≈Lx, 인장력으로 인해하단에 있는 균형 중 하나로 골절의 강도 TC 분자는(xS/xR>1)또는 가진 중요한 부하를 핵 슬립 펄스(xS/xR<1)입니다. 두 경우 모두,피 브릴의 최대 강도에 도달 할 때 엘 100 리터 100 리터,최대 에너지 소산을 포함합니다.

콜라겐 분자의 길이가 임계 길이 스케일에 가까울 때 두 가지 목표가 충족됩니다. 이 개념은 매우 긴 분자를 사용한 실험에서 발견 된 콜라겐 원 섬유의 전형적인 엇갈린 기하학을 설명하여 변형 중에 큰 에너지 소산을 유도 할 수 있습니다(그림 1). 4).

변형의 메커니즘과 분자 설계에 대한 의존도는 그림 1 에 표시된 변형 맵에 요약되어 있습니다. 5.

슬립 펄스는 핵 분자의 끝에 지역화 된 더 큰 전단 응력에 의해 핵됩니다. 따라서,이들 위치에서의 교차 결합은 슬립 펄스를 핵화하는 데 필요한 에너지의 증가를 초래하고,따라서,더 큰 값의 슬립 펄스 핵 형성을 방지하기 위한 분자-스케일 메커니즘을 제공한다. 이 증가 γ 결과로서 증가 xS 로 인해 조정 법결과적으로,비 xS/xR 증가,콜라겐 소 더 강합니다. 놀랍게도,이 나노 크기의 교차 결합 분포는 실험에서 볼 수있는 천연 콜라겐 설계와 일치하며,종종 분자(3-5)의 끝에서 교차 결합을 보여줍니다.

교차 결합은 실험(33)과 일치하여 원 섬유에 추가적인 강도를 제공한다. 그러나,극단적으로 큰 교차 결합 조밀도는 물자가 개악 도중 다량 에너지 낭비 가능하지 않기 때문에 부정적 반응으로 이끌어 냅니다,강한 그러나 거친 과민한 교원질에 지도하. 이러한 행동은 탈수 된 콜라겐 또는 더 높은 가교 밀도를 특징으로하는 노화 된 콜라겐에서 관찰됩니다(33). 이 경우,콜라겐의 인장강도가 현저히 감소하게 된다. 2015 년 12 월 15 일~2015 년 12 월 15 일~2015 년 12 월 15 일

우리의 모델은 다른 디자인 시나리오를 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 많은 교차 결합 및 짧은 분자를 가진 디자인은 수화한 국가에서 조차 아주 과민한 교원질로,이끌어 낼 것입니다. 그러한 행동은 생리적 조건 하에서 매우 불리할 것이다. 대조적으로,긴 분자는 상당한 에너지 소산과 함께 강력한 물질 거동을 제공합니다(그림 1). 4). 일부 실험(19)는 교차 결합 결핍 콜라겐이 그림 1 에서 볼 수 있듯이 넓은 수율 영역과 큰 소성 변형을 보여 준다는 개념을 지원합니다. 4 에이.

탄성 강도 및 에너지 소산 모두 큰 분자 길이에 대한 유한 값에 접근하여,수 백 나노미터(그림 1)의 순서 인 100 나노미터(그림 1)보다 훨씬 긴 100 분자를 가진 콜라겐 원 섬유를 생성하는 것이 비효율적이다. 4). 이 길이 규모는 길이가 300 나노 미터 인 티씨 분자의 실험 결과와 다소 일치합니다.(6, 7, 9, 18-20).

큰 변형은 콜라겐이 풍부한 조직에 중요한 생리적 조건입니다. 파국적인 과민하 같이 실패의 위험은 최선 생물학 기능을 지탱하기 위하여 극소화될 필요가 있습니다. 콜라겐의 나노 스케일 미세 구조는 긴 분자를 선택하여 큰 변형 하에서 견고한 물질 거동을 제공하도록 설계 될 수 있습니다. 견고성은 전단 형 메커니즘에 의해 최대 강도와 최대화 된 에너지 소산을 위해 설계에 의해 달성됩니다. 최대 에너지 소산에 대한 요구 사항(. 5 및 6)최적의 분자 길이를 결정하는 데 중요한 역할을합니다. 교원질 원섬유의 층이 된 디자인은 큰 낭비적인 긴장을 가진 긴 개악 경로를 가능하게 하기에 있는 생명 역할을 합니다. 이것은 다른 단백질 물질(5)로부터 알려진”희생 결합”개념을 연상시킨다.

콜라겐의 특성은 규모에 따라 다릅니다(19). 이 분자는 콜라겐 섬유질의 파괴 강도(11.2 평방피트)와 콜라겐 섬유질의 파괴 강도(0.5 평방피트)와 다릅니다. 이와 유사하게,개별 화학 분자의 영 계수는 224 나노 미터(에 대한 엘 224 나노 미터)에 접근,젊은 콜라겐 섬유질의 계수는 작은 반면,224 나노 미터(에 대한 엘 224 나노 미터)에 접근,224 나노 미터(에 대한 엘 224 나노 미터)에 대한 젊은 계수는 224 나노 미터(에 대한 엘 224 나노 미터)에 접근한다. 이 영 계수의 감소는 실험과 질적 인 합의에 있습니다(20).

콜라겐 역학의 정량적 이론은 새로운 생체 고분자의 개발에서 콜라겐이 스캐 폴딩 재료로 사용되는 조직 공학 연구에 이르기까지 많은 응용 분야를 가지고 있습니다(27). 기계적 특성에 대한 최적화 외에도 생물학적 기능,화학적 특성 또는 기능적 제약과 같은 다른 설계 목표가 콜라겐의 구조를 담당 할 수 있습니다. 그러나 콜라겐 섬유의 큰 기계적 변형의 생리 학적 중요성은 기계적 특성이 실제로 중요한 설계 목적이 될 수 있음을 시사합니다.