邻近肽键之间的相互作用可以解释恐龙骨骼中的胶原蛋白如何在数亿年的时间里保持完整。
完整的胶原蛋白已经从许多恐龙和其他古代动物中分离出来，包括这些8000万年前的加拿大短翼龙。令人惊讶的是，胶原蛋白能存活这么长时间，而构成蛋白质骨架的肽键只有500年的半衰期
骨胶原蛋白通常被用于古生物年代测定，因为它在动物王国中有着深厚的渊源——人们分别从68万年前的雷克斯暴龙和8000万年前的加拿大短翼龙的化石中提取了i型胶原蛋白的碎片。胶原蛋白中肽键的寿命是一个化学之谜，因为它们在中性水溶液中的半衰期只有500年，这意味着它们可以比预期的长100多万倍。麻省理工学院(MIT)的一个研究小组对这个长期存在的谜团很感兴趣，并着手寻找这种令人惊讶的长寿的化学解释。
麻省理工学院(MIT)天然产物化学家、开展这项研究的实验室负责人罗纳德?雷恩斯(Ronald Raines)说:“与大多数呈球状的蛋白质不同，胶原蛋白是纤维状的。”“它是一种长长的链，被包裹成三螺旋结构，然后这些三螺旋结构相互缠绕，形成原纤维，最终形成纤维。”这些纤维构成了动物身体的支架。”
Raines的实验室已经研究胶原蛋白25年了，他说用多肽制作非常好的胶原蛋白模型是可能的，这很有用，因为每条胶原蛋白链都是由1000个氨基酸组成的。他解释说:“这超出了合成的范围，但50年前人们就知道，只有20到30个氨基酸的短肽会聚集在一起形成三螺旋结构，就像天然胶原蛋白中的结构一样。”“这种简化方法使我们能够进行原本极其困难的实验。”
利用实验和计算工具，研究人员发现了一种特殊的相互作用——被称为n→π*相互作用，其中“n”是一对孤电子，“π*”是一个反键轨道——发生在沿着胶原蛋白三螺旋的整个长度的邻近肽键的主链酰基之间。
雷恩斯说，这些相互作用的有趣之处在于，泡利不相容原理意味着两个电子不能占据同一个轨道。“如果这种n→π*的相互作用能够使一个肽键的n对孤对提供到链中下一个肽键的n→π*轨道上，那么这个轨道已经有一些占位了，”Raines说。“我们所做的是进行一项实验测试，看看胶原蛋白中存在的n→π*相互作用是否能保护肽键不受水的攻击，因为如果π*被相邻的n→π*相互作用中的电子占据，那么它就不能被水的电子攻击。”
胶原蛋白三螺旋的一小段相互作用(左)。肽键中相邻酰基之间的链内相互作用有助于保护蛋白质免受水的破坏(右图)。链间氢键进一步稳定了三螺旋结构
他们发现，除了链末端的三个氨基酸外，三条胶原蛋白链中的所有1000个氨基酸都受到这种相互作用的保护。“没有其他已知的结构是这样的，”雷恩斯说。“这就是为什么我们认为它存活了下来……它就像一个保护基团，不受有机合成的影响，除了它在内部，它不是共价键，但它确实提供了这种占据，可以抵御水。”
北卡罗来纳州立大学的脊椎动物古生物学家和进化生物学家玛丽·施韦策说，尽管这些发现“并不出人意料”，但它们“非常令人兴奋”。他们的做法意义重大。几十年来，人们一直认为分子不可能持续存在，但是，当越来越多的研究人员开始真正研究古代标本时，不可能的事情变得可能了，甚至可能了。因此，这些作者采取了下一步，寻找可以解释“不可能”变得越来越频繁的机制。
然而，她说他们工作的局限性在于他们的建议是“假设的”。“胶原蛋白是地球上研究得最好的生物分子之一，但他们的方法——通过分子本身的固有特性来识别这种分子上可能发生的反应——需要首先应用于化石本身，然后再应用于其他分子。”
Schweitzer说，对生命功能状态的化学修饰的表征，可以解释稳定性，已经被标记为“分子隐匿学”——隐匿学是对死亡和腐烂生物体的研究。她补充说:“每种分子的分类都是不同的，环境对每种分子的影响也会有所不同。”“沙漠化石中的胶原蛋白可能与三角洲环境中的胶原蛋白具有不同的动力学。”
“描述不同标本中胶原蛋白的反应将是一件很棒的事情，这将是本研究的自然后续。”他们实际上并没有从化石骨头中寻找这些成分，甚至从现存的骨头中也没有。但毫无疑问，这是一个良好的开端。他们的工作应该为其他研究提供信息，并刺激分子古生物学的其他工作。”
她补充说，这项工作对衰老、药物设计和分子进化的研究具有“巨大的意义”。“了解有利于这种保存的环境对骨骼化石的进一步分子研究也至关重要。”恐龙和其他古代生物在与我们截然不同的环境中生存和繁衍，它们是如何适应的，毕竟是一个分子问题。”
茱莉亚以科学通讯员的身份加入了《化学世界》团队
2023年5月到期。在此之前，她花了8年时间领导临床和科学公司
英国皇家药学会(Royal Pharmaceutical Society)的官方期刊《The Pharmaceutical Journal》是药剂师的会员机构。查看完整档案
