Механохимия коллагена

Молекулярное семейство коллагенов сформировалось в результате почти миллиардного эволюционного развития. Это уникальное семейство белков, большинство представителей которого обеспечивают общую механическую опору биологических тканей. Фибриллообразующие коллагены — наиболее распространённые коллагены у позвоночных животных; обычно они располагаются в участках, испытывающих растягивающую нагрузку. У животных клетки синтезируют молекулы фибриллообразующего коллагена, которые самостоятельно объединяются в более крупные структуры — коллагеновые фибриллы. Коллагеновые фибриллы представляют собой основные непрерывные несущие элементы соединительной ткани, однако нередко дополнительно объединяются в более крупные несущие структуры: пучки в сухожилиях, ламеллы в роговице и межпозвонковых дисках. Известно, что нарушение образования фибриллярного коллагена приводит к гибели эмбриона, а избыточное образование и рост коллагена (фиброз) или неконтролируемое ферментативное ремоделирование коллагена II типа, как при остеоартрите, имеют патологическое значение. Таким образом, коллаген критически важен для жизнеспособности позвоночных и поддержания эффективных механических структур. Однако, несмотря на десятилетия исследований, наше понимание формирования коллагенового матрикса остаётся неполным, а детальные механизмы, лежащие в основе ремоделирования, роста и патологических изменений коллагена, изучены ещё хуже. В этой работе рассматривается известная роль механических сил в формировании и развитии коллагеновых структур. Затем обсуждается механохимический механизм, который может объединить представления о динамике сборки коллагеновых тканей: согласно этому механизму, коллагеновые фибриллы преимущественно откладываются и растут непосредственно вдоль направления действия механической силы — там, где энергетически это должно быть невыгодно, но где коллагеновые фибриллы особенно необходимы. Этот механизм назван причинностью «механохимическая сила—структура».

Значимость: Постулат о причинности «механохимическая сила—структура» предполагает, что молекулы коллагена входят в состав чувствительных к механохимическим воздействиям и динамически реагирующих фибрилл. Молекулы коллагена преимущественно собираются вдоль направления приложенной деформации, могут расти непосредственно на месте под действием механического растяжения и удерживаются в направлении действия силы благодаря стабилизации деформацией. Механизмы, обеспечивающие такое поведение, действуют на уровне самих молекул и закодированы в структуре биоматериала. Эта концепция может изменить наше понимание формирования структур, расширить возможности лечения повреждений и ускорить разработку средств профилактики таких патологических состояний, как фиброз. Мы предполагаем, что коллаген представляет собой динамичный элемент, реагирующий на механохимические воздействия и обеспечивающий существенный «материальный вклад» в создание адаптивных структур, передающих механические сигналы.