9.7. Стабильность спирали коллагена зависит от кооперативных взаимодействий

Если раствор тропоколлагена нагреть, то при характеристической температуре происходит изменение его физических свойств (рис. 9.11). Так, резко падает вязкость раствора, что указывает на потерю волокнистой структуры. Судя по изменению оптического вращения, исчезает спиральность структуры отдельных депей. Отсюда следует, что тепловое движение преодолевает те силы, которые стабилизируют тройную спираль, и в результате возникает разорванная структура - желатин, имеющий конфигурацию статистического клубка. Этот структурный переход возникает дискретно, при определенной температуре, аналогично тому, как происходит плавление кристалла.

Рис. 9.10. Поперечный срез через модель коллагена. Каждая цепь соединена водородной связью с двумя другими цепями (точки означают водородную связь), а-Углеродный атом остатка глицина в каждой цепи обозначен буквой G. Каждым третьим остатком в последовательностях аминокислот должен быть глицин, так как вблизи оси (центра) спирали не остается места для более крупного остатка. Обратите внимание, что пирролидоновые кольца расположены снаружи. Различные цепи тройной спирали показаны разным цветом.

Перешедший в биохимию термин «плавление» стал применяться в случаях, когда потеря высокоорганизованной структуры происходит в узких температурных пределах. Спираль тропоколлагена характеризуется высокой степенью упорядоченности по длине. Дискретность структурного перехода при повышении температуры указывает на то, что стабилизация тройной спирали обусловлена кооперативными взаимодействиями. Другими словами, спирализация обусловлена образованием множества усиливающих друг друга связей, каждая из которых сама но себе относительно слаба. Образование каждой из этих стабилизирующих связей в большой степени зависит от того, образуются ли одновременно и соседние связи.

Таблица 9.2. (см. скан) Зависимость термостабильности коллагена от содержания иминокислот

Примером такой кооперативной структуры может служить застежка-молния. В последующих главах мы рассмотрим ряд других высококооперативных макромолекулярных структур: ДНК, вирусы, клеточные мембраны.

Температура, при которой спирализованность структуры утрачивается наполовину, называется температурой плавления тропоколлагена служит критерием стабильности его тройной спирали. Для интактных коллагеновых фибрилл сопоставимым показателем является температура сжатия Коллагены различных видов организмов различаются по температуре плавления. Оказалось, что коллагенов связаны с температурой тела животного (табл. 9.2), Самой низкой характеризуются коллагены корюшки, тогда как у теплокровных достигает наиболее высоких значений. Различия в термостабильности коррелируют с содержанием иминокислот (пролина и гидроксипролина) в коллагене. Чем выше содержание

Рис. 9.11. Кривая плавления молекулы коллагена.

иминокислот, тем стабильнее коллагеновая спираль. Содержание иминокислот в коллагене увеличивалось в процессе эволюции от холоднокровных к теплокровным.

Итак, стабильность спирали отдельной цепи тропоколлагена зависит от пролина и гидроксипролина, действующих в качестве замков. Далее тройная спираль стабилизируется поперечными водородными связями и вандерваальсовыми взаимодействиями между остатками на разных цепях. Наличие глицина в каждом третьем положении последовательности аминокислот служит стерическим разрешением для существования суперспирали.

Определение температуры плавления химически синтезированных полипептидных моделей коллагена пролило свет на биологическое значение процесса гидроксилирования пролина. Так, обнаружилось, что составляет тогда как равна отсюда следует, что гидроксилирование значительно увеличивает стабильность тройной спирали. Этот вывод подтверждается результатами изучения нег идроксилированного коллагена, полученного путем инкубации клеток сухожилия с -бипиридилом- соединением, образующим хелатное соединение с железом и потому ингибирующим пролилгидроксилазу. Синтезированный этими клетками негидроксилированный коллаген не образует тройной спирали при но быстро спирализуется при температуре ниже