Колаген – улюблений білок ссавців, який найбільше використовується в організмі. Здається, динозаври теж його цінували, оскільки сліди цього білка були знайдені в деяких скам’янілостях, але лише зараз хіміки з’ясували, як зазвичай крихка молекула могла вижити так довго.
Кілька десятиліть тому колаген був найбільш відомий тим, що його вводили в шкіру людей, щоб виглядати молодшими. До того часу він вже мав багато інших застосувань, таких як виготовлення желатину для солодощів і желе, а також як оболонка для ковбас. Набагато раніше, щонайменше 8000 років тому, використовували колагенові клеї. Сьогодні це модна добавка у багатьох продуктах харчування, але вона також складає значну частину нашого тіла.
Ми не очікуємо знайти колаген у скам’янілостях, яким більше кількох тисяч років, адже він утримується разом пептидними зв’язками, що руйнуються при контакті з водою. Однак у кількох дивовижних скам’янілостях динозаврів все ще міститься колаген, включаючи один зразок Lufengosaurus, датований ранньою юрою, 195 мільйонів років тому.
Це вражає для білка, який при кімнатній температурі зазвичай втрачає половину своїх зв’язків кожні 500 років. Нові дослідження пояснюють це виживання застосуванням принципу виключення Паулі, який ви, можливо, пам’ятаєте зі шкільної хімії.
У звичайних умовах вода руйнує пептидні зв’язки колагену шляхом гідролізу, навіть коли бактерії не діють на нього. Сухі умови можуть продовжити його життя – той зразок клею походить з пустелі навколо Мертвого моря – але скрізь відбувалися вологі періоди з часів мезозою.
Вчені з MIT намагалися пояснити виживання зразків колагену і з’ясували, що відповідальними є взаємодії карбонільних груп. «Ми наводимо докази того, що ця взаємодія заважає воді атакувати пептидні зв’язки та розривати їх. Це суперечить тому, що відбувається зі звичайним пептидним зв’язком», – сказав провідний автор професор Рон Рейнс у заяві.
Ключові зв’язки в колагені утворюються між молекулами вуглецю та азоту в сусідніх амінокислотах. Використовуючи здатність вуглецю утворювати чотири зв’язки, атом вуглецю віддає два для утворення карбонільної групи з атомом кисню, залишаючи електрон вільним для утворення зв’язку.
Раніше не було відомо, що коли ці карбонільні групи можуть зв’язуватися одна з одною, вони утворюють водостійкий зв’язок. Тут і застосовується принцип Паулі. Паулі встановив, що атоми не можуть мати більше одного електрона з певним спіном на одній орбіталі. Карбонільно-карбонільні зв’язки ефективно заповнюють доступні орбіталі, не залишаючи місця для електронів води, щоб вони могли ініціювати руйнування.
Команда Рейнса створила два білки з колагеноподібним складом, які здатні перетворюватися один в одного. Вони назвали один із них cis, а інший – trans (ці терміни використовувались у хімії ще до того, як стали частиною культурної війни). Форма cis руйнується при контакті з водою, але колагеноподібна форма trans чинить опір завдяки заповненим орбіталям.
«Пептидний зв’язок або cis, або trans, і ми можемо змінити співвідношення cis до trans. Роблячи це, ми можемо імітувати природний стан колагену або створити незахищений пептидний зв’язок. І ми побачили, що коли він був незахищеним, він не міг довго існувати», – сказав Рейнс.
З якихось причин колаген у 68-мільйонолітнього тиранозавра та 195-мільйонолітнього Lufengosaurus (та інших) мав переважно форму trans, що дозволило йому вижити до того моменту, поки ми не змогли його вивчити.
Подібні зв’язки спостерігалися в інших білках, але в тих випадках, коли зв’язки можуть витримати, решта білків руйнується внаслідок гідролізу. «Колаген – це всі потрійні спіралі від одного кінця до іншого», – каже Рейнс. «Там немає слабкої ланки, і саме тому, я думаю, він вижив».
Існує причина, чому динозаври та ссавці однаково широко використовують колаген – у наших кістках, зв’язках, які їх з’єднують, а у випадку людей – також у шкірі. «Колаген – це каркас, який нас тримає разом», – сказав Рейнс. «Те, що робить білок колагену таким стабільним і таким хорошим вибором для цього каркасу, полягає в тому, що, на відміну від більшості білків, він є волокнистим».
Крім того, наші кістки та зв’язки піддаються впливу рідин на водній основі, таких як кров. Без здатності чинити опір гідролізу, більш постійні частини нашого тіла потребували б постійної перебудови, тому колаген відіграє важливу роль у нашому довголітті.
