胶原蛋白是我们体内最丰富的蛋白质，最近的研究结果表明，胶原蛋白的牺牲键比基本结构更快地断裂。

胶原蛋白约占人体所有蛋白质的30%。它提供骨骼的力量，皮肤的弹性，保护器官，肌腱的柔韧性，帮助血液凝固，并支持新细胞的生长。从结构上讲，胶原蛋白类似于三股螺旋结构:三条氨基酸链相互缠绕，形成坚固而坚硬的骨架。每一根胶原纤维含有成千上万个分子，这些分子交错排列，通过交联相互结合，有助于胶原蛋白的机械稳定性。人们认为胶原交联容易断裂，然而对于断裂的具体部位以及断裂发生的原因却知之甚少。

海德堡理论研究所(HITS)的研究人员揭示了胶原蛋白组织中脆弱牺牲键的断裂如何有助于局部损伤，最大限度地减少对更广泛组织的负面影响，并促进恢复。科学家们旨在通过计算机模拟胶原蛋白在多种生物尺度和不同机械力下的情况来解开这些谜题。他们通过对大鼠尾巴、屈肌和跟腱进行的凝胶电泳和质谱实验验证了他们的发现。通过对胶原蛋白进行严格的测试，研究小组能够确定具体的破损点。他们观察了力是如何通过组织的复杂层次结构消散的，以及它的化学键是如何承受载荷的。发表在《Nature Communications》上的这项研究揭示了胶原蛋白的断裂机制，这对于理解组织降解、材料老化以及潜在的组织工程技术的发展至关重要。

胶原蛋白中成熟的交联由两条臂组成:其中一条臂比胶原组织中的其他键弱。当受到过大的力时，较弱的手臂通常首先断裂，使力消散并使有害影响局部化。科学家们发现，在胶原蛋白组织中存在弱键的区域，其他键——包括交联键和胶原蛋白主干中的键——更有可能保持完整，从而保持胶原蛋白组织的结构完整性而保护整个组织——它们可以追踪在机械压力过程中产生的有害自由基。

“胶原蛋白非凡的交联化学似乎完美地适应了处理机械应力，”在HITS领导这项研究的Frauke Gräter说。“通过使用互补的计算和实验技术来研究大鼠组织中的胶原蛋白，我们的发现表明，胶原蛋白交联中的弱键比其他键更容易断裂，比如胶原蛋白骨干中的键。这可以作为一种保护机制，定位由破裂引起的自由基的有害化学和物理影响，并可能支持分子恢复过程。”

之前由HITS科学家领导的研究表明，对胶原蛋白的过度机械应力会导致自由基的产生，从而导致体内损伤和氧化应激。

该研究的第一作者Benedikt Rennekamp解释说:“我们的最新研究表明，胶原蛋白中的牺牲键在保持材料的整体完整性方面起着至关重要的作用，可以帮助定位这种机械应力的影响，否则会对组织造成灾难性的后果。由于胶原蛋白是我们体内组织的主要替代物，通过发现和了解这些破裂部位，研究人员可以对胶原蛋白的机制获得有价值的见解，并有可能开发出增强其弹性和减轻损伤的策略。”

参考文献:

Collagen breaks at weak sacrificial bonds taming its mechanoradicals” by Benedikt Rennekamp, Christoph Karfusehr, Markus Kurth, Aysecan ünal, Debora Monego, Kai Riedmiller, Ganna Gryn’ova, David M. Hudson and Frauke Gr?ter, 12 April 2023, Nature Communications.