化学家们提供了关于发现于恐龙骨骼中的胶原蛋白是如何在数百万年中得以保存的新视角：原子级别的相互作用阻止了其键被水分解。
胶原蛋白是一种存在于骨骼和结缔组织中的蛋白质，在距今约1.95亿年的恐龙化石中被发现。这远远超过了连接蛋白质的肽键的标准半衰期，约为500年。
麻省理工学院的最新研究解释了胶原蛋白为何能比预期存在更久。研究小组发现，一种独特的原子级别的相互作用保护胶原蛋白不受到水分子损害。这种保护屏障阻止水通过水解过程干扰肽键。
“我们提供了证据表明这种相互作用防止水攻击肽键并将其分解。这与典型肽键的预期行为相悖，后者的寿命仅约为500年，”麻省理工学院的Firmenich化学教授Ron Raines解释道。
Raines是这项新研究的资深作者，研究结果将发表在《ACS Central Science》上。麻省理工学院的博士后Jinyi Yang博士’24是论文的首席作者，博士后Volga Kojasoy和研究生Gerard Porter也做出了贡献。
抗水性
胶原蛋白是动物中最常见的蛋白质，不仅存在于骨骼中，而且还存在于皮肤、肌肉和韧带中。它由长长的蛋白质链扭曲在一起，形成坚固的三重螺旋结构。
“胶原蛋白是将我们联系在一起的框架，”Raines表示。“它的稳定性和适用于这个框架的性质源于其纤维状特性，这与大多数蛋白质不同。”
在过去的十年中，古生物学家们发现了保存于恐龙化石中的胶原蛋白，包括一具8000万年前的暴龙化石和一具近2亿年前的蜥脚类化石。
在过去25年中，Raines的实验室一直在研究胶原蛋白，以了解其结构如何支持其功能。在这项新研究中，他们强调了胶原蛋白中的肽键为何对水的分解如此耐受。
肽键形成于一个氨基酸的碳原子与下一个氨基酸的氮原子之间。该碳原子还会与一个氧原子形成双键，形成一种被称为羰基的结构。这个羰基氧含有一对未与任何其他原子结合的电子。研究人员发现这些电子可以与相邻肽键的羰基共享。
这种电子共享阻止了水分子渗入键结构，从而导致破坏。
为了证明这一概念，Raines和他的团队开发了两种能切换形态的胶原蛋白版本——一种通常形成三重螺旋（反式形态），另一种则具有旋转的肽键角度（顺式形态）。他们发现，反式胶原蛋白有效地阻止了水水解该键。相反，顺式变体则允许水渗透，从而导致键破裂。
“每一个肽键都处于顺式或反式形态，我们可以调整两者之间的比例。这使得我们能够模拟胶原蛋白的自然状态或生成未保护的肽键，我们发现当未保护时其退化迅速，”Raines表示。
“没有弱链接”
这种电子共享现象在被称为α螺旋的蛋白质结构中也被观察到，这些结构存在于多种蛋白质中。尽管这些螺旋也可能受到水的保护，但它们始终由更容易受到水解的暴露蛋白质序列连接。
“胶原蛋白的结构完全由三重螺旋组成，”Raines指出。“没有弱链接，我认为这有助于其持久性。”
此前，一些研究者提出了胶原蛋白在数百万年间得以保存的其他解释，包括骨骼过于脱水，水无法到达肽键。
“虽然我承认其他因素的作用，200万年是一个重要的时间，我认为必须有一个分子或原子级别的解释来说明这一点，”Raines评论道。
这项研究得到了美国国立卫生研究院和国家科学基金会的资助。
